eng
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.6.492.506
Представлен количественный и качественный анализ мировых тенденций в области лазерной сварки разнородных металлов за 2016–2019 годы. Определено, что лазерная сварка получила наибольшее распространение для соединений стали с алюминием, титана с алюминием, алюминия с медью. Представлен анализ основных техник и способов сварки разнородных металлов, результаты исследования их влияния на металлургию процесса, микроструктуру и механические свойства соединений. Акцент сделан на описании техники и способов лазерной сварки алюминия со сталью.
Представлен количественный и качественный анализ мировых тенденций в области лазерной сварки разнородных металлов за 2016–2019 годы. Определено, что лазерная сварка получила наибольшее распространение для соединений стали с алюминием, титана с алюминием, алюминия с медью. Представлен анализ основных техник и способов сварки разнородных металлов, результаты исследования их влияния на металлургию процесса, микроструктуру и механические свойства соединений. Акцент сделан на описании техники и способов лазерной сварки алюминия со сталью.
Теги: dissimilar metals intermetallic layer laser welding mechanical properties microstructure weldability интерметаллидный слой лазерная сварка механические свойства микроструктура разнородные металлы свариваемость
Лазерная сварка разнородных металлов
С. В. Курынцев1, И. Н. Шиганов2
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
Представлен количественный и качественный анализ мировых тенденций в области лазерной сварки разнородных металлов за 2016–2019 годы. Определено, что лазерная сварка получила наибольшее распространение для соединений стали с алюминием, титана с алюминием, алюминия с медью. Представлен анализ основных техник и способов сварки разнородных металлов, результаты исследования их влияния на металлургию процесса, микроструктуру и механические свойства соединений. Акцент сделан на описании техники и способов лазерной сварки алюминия со сталью.
Ключевые слова: лазерная сварка, разнородные металлы, свариваемость, микроструктура, интерметаллидный слой, механические свойства
Статья получена: 01.08.2020
Принята к публикации: 26.08.2020
ВВЕДЕНИЕ
Основным трендом современного конструкционного машиностроения является снижение веса конечного изделия за счет использования материалов и конструкций, имеющих высокую прочность и низкий удельный вес [1]. Примером таких материалов являются композиционные материалы на основе углеволокна, высокопрочные дуплексные стали, пористые или полые материалы [2, 3], полученные с применением аддитивных технологий и с учетом топологической оптимизации. Также к таким материалам можно отнести мульти-материалы или гибридные структуры, состоящие из нескольких разнородных материалов, соединенных между собой каким-либо способом, например сваркой, болтовыми или клепаными соединениями, склеиванием, пайкой и т. д. [4].
Как правило, наибольшую прочность и герметичность соединений обеспечивают сварные, паяные или клееные соединения. Склеиваемость, свариваемость и паяемость разнородных материалов, может быть осложнена различием физических и термомеханических свойств соединяемых материалов и их поверхностей [5, 6]. Что требует необходимости применения сложных гибридных технологий, основанных на термическом, механическом, химическом воздействии на соединяемые заготовки, к таким технологиям относятся сварка-пайка, сварка-склеивание, клинч-соединения [7] и прочие. Например, кузов современного легкового автомобиля по массе состоит, примерно, из 96 кг алюминия, 66 кг стали, 11 кг магния, 7 кг пластика [4], поэтому вопрос соединения разнородных материалов является актуальной и перспективной наукоемкой технологической задачей.
Понимание физических, химических и металлургических процессов, происходящих при сварке и пайке разнородных материалов, является основой для выбора вида и способа сварки, техник и технологии сварки с целью получения соединения с требуемыми характеристиками. При сварке плавлением разнородных металлов необходимо рассматривать как физические свойства соединяемых материалов, так и металлургию их взаимодействия в жидком состоянии, препятствующих образованию качественного сварного соединении [5].
В связи с тем, что сварка плавлением подразумевает непременное расплавление материала в зоне шва и нагрев до температур Т = 0,8 Тпл в околошовной зоне, необходимо рассматривать процессы взаимодействия соединяемых материалов при плавлении и кристаллизации. Все процессы плавления и кристаллизации, а также образование интерметаллидных соединений отражаются диаграммами состояния двойных систем [8]. По типу диаграммы состояния двух свариваемых материалов можно предусмотреть образование той или иной структуры. При этом следует различать влияние на структуру механизма кристаллизации с одной стороны и последующих фазовых превращений в твердом состоянии с другой. Диаграммы состояния эвтектического и перетектического типов, компоненты которых при плавлении образуют однородную жидкость с ограниченной растворимостью, а в твердом состоянии практически не растворимы друг в друге, наиболее благоприятны. При плавлении и кристаллизации таких материалов в шве получается однородная гетерогенная структура с чередующимися частицами составляющих элементов.
Сварка плавлением подобных материалов возможна без особых трудностей. Если же компоненты свариваемых материалов при расплавлении и кристаллизации обладают ограниченной или неограниченной взаимной растворимостью, то при сварке таких материалов в шве будут образовываться твердые растворы с плавно изменяющейся от линии сплавления концентрацией. Прочность шва таких соединений может быть достаточно высока. При сварке материалов с ограниченной растворимостью компонентов в шве будет присутствовать наряду с твердыми растворами эвтектика или перетектика, в зависимости от диаграммы состояния.
Однако существуют материалы, которые не смешиваются в жидком состоянии и образуют диаграммы состояния с полным отсутствием взаимодействия. При расплавлении в шве таких материалов они расслаиваются, не обеспечивая нужных механических свойств. Таким образом, приступая к разработке технологии сварки разнородных материалов необходимо в первую очередь выяснить тип их диаграммы состояния при плавлении и кристаллизации.
На практике основной проблемой, снижающей механические и эксплуатационные свойства сварных соединений из разнородных сплавов, является образование интерметаллидного слоя (ИМС), являющегося очень твердым и хрупким [9]. Интерметаллическая фаза может быть полезной для сплава, являться дисперсным упрочнителем, тормозящим дислокации, в том случае, когда она равномерно распределена между зернами в объеме металла [5]. Однако, если ИМС будет присутствовать в виде непрерывной полосы на границе или на линии сплавления двух металлов, то в этом случае она будет нести угрозу разрушению соединения, слабой областью будет являться линия перехода или ЗТВ от ИМС к основному металлу.
В табл. 1 приведены характеристики возможности сварки некоторых пар металлов. Как видно из таблицы отличной свариваемостью обладают только медь и никель. Это связано с тем, что эти материалы обладают химическим сродством, образовывают твердый раствор замещения неограниченной растворимости. Остальные пары металлов в основном обладают удовлетворительной свариваемостью. Поэтому важной задачей является обеспечение равномерности диффузионных процессов по толщине свариваемых встык материалов.
Одним из эффективных методов сварки разнородных материалов является лазерная сварка [10–12]. При сварке разнородных металлов основным преимуществом является высокая скорость сварки и концентрированность энергии, позволяющие, минимизировать время взаимодействия соединяемых металлов, как правило, имеющих разную температуру плавления, ограниченную взаимную растворимость, коэффициенты теплоемкости и теплопроводности. Минимизация времени взаимодействия приводит к минимизации образования интерметаллидов между свариваемыми металлами, которые обычно имеют высокую твердость и хрупкость, низкую тепло- и электропроводность.
Цель работы – количественный и качественный анализ мировых тенденций лазерной сварки разнородных металлов, обзор мировых трендов, способов и техник соединения.
АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ МИРОВЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Как показывает анализ публикаций по реферативной базе данных Scopus за последние 4 года по теме лазерная сварка разнородных металлов опубликовано около 270 статей, 70% из которых в высокорейтинговых журналах, остальные в материалах конференций и переводных журналах. На рис. 1 представлено распределение количества статей по лазерной сварке различных пар металлов за 2016–2019 года включительно. Как видно, наибольшее количество публикаций посвящено соединению стали с алюминием (26%), данные соединения широко применяются в автостроении, поэтому в данных работах, в основном, описываются технологии сварки или сварки-пайки листовых заготовок малых толщин (до 2–3 мм). На втором месте среди пар металлов находится пара титан + алюминий (9%), данные соединения широко применяются в авиа- и ракетостроении, изделиях космического назначения, в которых основным требованием является минимизация веса.
Здесь же следует отметить и соединения титана с магнием (5%), которые также применяются в выше указанных отраслях. На третьем месте находятся соединения алюминия и меди (8%), данная пара металлов применяется в электротехнической и теплоэнергетической промышленностях. Публикации об остальных парах металлов, таких как, никель + титан, титан + сталь, медь + сталь, никель + сталь, титан + магний составляют от 3 до 6% от общего количества статей.
Следует отметить, что количество статей по теме соединение металлических материалов с неметаллическими (углеволоконными композитами, органическими стеклами, пластмассами) с применением лазерного излучения около 9% от общего объема. Как правило, это нахлесточный тип соединения, при котором лазерным лучом воздействуют на металл или на неметаллический материал. При воздействии лазерным лучом на металл осуществляется его нагрев или плавление на неполную глубину в зависимости от толщины, неметаллический материал, находящийся с противоположной стороны нагревается и в вязко текучем состоянии взаимодействует с нагретым металлом. Таким образом, образуется не прочное, но герметичное соединение [13].
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Основными технологическими приемами, применяемыми при лазерной сварке разнородных металлов, являются:
При выборе смещения лазерного луча на один из свариваемых металлов руководствуются различными факторами и свойствами соединяемых металлов – степенью поглощения металлом лазерного излучения определенной длины волны, температурой плавления, смачиваемостью одного компонента другим или наоборот, взаимной растворимостью компонентов на уровне кристаллического строения, отличием теплоемкости и теплопроводности.
Например, при сварке хорошо свариваемых меди с нержавеющей сталью, лазерный луч смещается на сталь, сталь расплавляется, смачивает и нагревает медь посредством тепловой кондукции (теплопередачи в твердом теле), образуя металлические связи. Если луч направить на медь, то, во‑первых, лазерное излучение почти всех длин волн в ИК‑спектре будет отражаться на 99% [11], во‑вторых, теплопроводность меди в 5 раз больше чем железа [8, 14], тепло, образованное воздействием лазерного излучения будет рассеиваться, а не плавить медь и т. д.
В случае сварки ограничено свариваемых металлов, например, стали с алюминием в основном лазерный луч смещается на алюминий, хотя его теплопроводность и степень отражения лазерного излучения выше, чем у стали, но смачиваемость стали расплавленным жидким алюминием выше, чем смачиваемость алюминия жидким железом [6]. Также температура плавления железа почти в 3 раза выше чем температура плавления алюминия, то есть плавление железа может привести к кипению алюминия, и как следствие, к образованию дефектов. При этом посредством смещения лазерного луча в диапазоне 0,1–2 мм в зависимости от скорости и толщины свариваемых заготовок можно управлять толщиной образования ИМС.
Применение промежуточных металлов или нанесение покрытий, металлургически совместимых с обоими плохо свариваемыми между собой металлами, широко распространенная техника, применяемая в различных видах сварки, таких как, диффузионная, взрывом, давлением и т. д. [5, 9]. Если в указанных видах сварки данная техника сварки применяется для нахлесточного типа соединений, то в случае лазерной сварки она применяется и для нахлесточных соединений, и для стыковых. При сварке стыковых соединений промежуточный металл может плавиться как напрямую лазерным лучом, так и посредством тепловой кондукции при смещении лазерного луча на один из свариваемых компонентов. В случае нахлесточных соединений промежуточный металл нагревается кондуктивно и не всегда плавится, так как напрямую лазерный луч на него не воздействует. Как правило, большая часть соединений, полученных вышеуказанными способами, являются сварно-паяными. То есть для одного металла процесс характеризуется как сварка: он расплавляется, смачивая другой металл, для которого процесс характеризуется как пайка. Механические свойства таких соединений могут достигать 70–90% от свойств менее прочного металла [4].
В указанных технологических приемах, посредством высокой степени контролируемости параметров лазерного излучения можно контролировать, перегрев и толщину переходного слоя или ИМС, что позволяет существенно улучшить качество соединения и его механические и эксплуатационные свойства.
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СО СТАЛЬЮ
Как было сказано выше, наиболее распространенной парой свариваемых лазерной сваркой металлов являются сталь с алюминием, так как получили наибольшее распространение в качестве конструкционных материалов. Основные физические свойства алюминия и железа представлены в табл. 2. Из представленных данных видно, что свойства отличаются значительно, в том числе и на уровне атомного строения, в частности постоянная решетки отличается почти в 1,5 раза, атомный радиус алюминия равен 143 пм, железа 126 пм, кристаллическая решетка алюминия одинакова только с гамма-железом.
Железо является переходным металлом. В соответствии с диаграммой состояния образует с алюминием эвтектику и имеет низкую растворимость в твердом алюминии. Алюминий в свою очередь хорошо растворяется в альфа-железе, образуя следующие стабильные фазы Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, FeAl3, каждая из которых обладает определенной областью гомогенности [5, 8, 15]. В виду указанных отличий строения и свойств алюминия и железа, сварка плавлением данных металлов является наукоемкой технологической задачей.
В работе [16] представлены основные виды сварно-паяных соединений применяемых в автомобилестроении (рис. 3 а, b), в использованной технологии лазерный луч направлялся на присадочную проволоку, которая в расплавленном состоянии взаимодействует со сталью DX51D и сплавом AlMgSi1 (рис. 4), соединяемые материалы при этом лазерным лучом не расплавляются.
Авторами представлены результаты исследования лазерной сварки-пайки с применением различных присадочных материалов (AlSi5, AlSi12, ZnAl2), максимальные значения прочности были получены у образцов с присадочным материалом на основе цинка (220 МПа), образцы с присадочным материалом на основе алюминия (160–180 МПа). Разрушение образцов наблюдалось по ЗТВ алюминия (рис. 5 а, b).
Влияние формы разделки кромок (рис. 6а, b, c) при сварке встык алюминиевого сплава 6061-T6 и стали DP590 представлено авторами [17], также проведен сравнительный анализ полученных результатов с математическим моделированием распределения теплового поля в зависимости от формы разделки кромок, предложенные модели являются верифицируемыми. Предел прочности при растяжении исследуемых образцов находится в пределах 108–145 МПа, удлинение менее 1 мм, наибольшие значения имели образцы с формой разделки, представленной на рис. 6c, они же имели минимальную толщину ИМС (8,8 мкм). Наименьшие значение предела прочности при растяжении имели образцы с формой разделки кромок, представленной на рис. 6а, они же имели наибольшую толщину ИМС.
В работах [18–20] описываются исследования сварки листов из алюминия и стали внахлест. В частности, в работе [18] проводятся исследования влияния погонной энергии и техники сварки (воздействие лучом со стороны алюминия или со стороны стали) на механические свойства сварных соединений. Авторы заключают, что техника сварки, при которой лазерный луч плавит алюминий, не является предпочтительной, так как расплавленный алюминий слишком активно взаимодействует со сталью, это приводит к образованию ИМС большой толщины, а в некоторых случаях к образованию трещин.
Моделирование распространения температурных полей при лазерной сварке расфокусированным лучом диаметром 13 мм внахлест стали и алюминия, при воздействии лучом на сталь описывается авторами [19]. Предложенная модель и установленные граничные условия показывают адекватность модели термического цикла и реального эксперимента, в частности глубину и ширину проплава, от которых зависят механические свойства. Авторы устанавливают, что максимальные механические свойства при испытаниях на срез соединение имеет при условии минимального ИМС и максимальной ширины области взаимодействия стали и алюминия, обеспечиваемой расфокусированным лазерным лучом.
В работе [20] описываются исследования сварки стали и алюминия раздвоенным лазерным лучом внахлест, при воздействии со стороны стали, при этом луч раздваивали вдоль или поперек направления сварки, варьируется расстояние между лучами и соотношение мощности лучей. Максимальные механические свойства при испытаниях на срез (109,2 Н / мм) были получены при соотношении мощности лучей 3 / 2 и их поперечном расположении относительно направления сварки.
Результаты исследований и механических испытаний корпусного элемента автобуса, полученного лазерной сваркой стали с алюминием приводятся в работе [21]. В данной работе показано, что полученные соединения имеют необходимые прочностные характеристики (125–130 МПа), достаточные для обеспечения безопасной эксплуатации пассажирских транспортных средств.
Гибридная лазерно-дуговая сварка стали и алюминия встык описывается в работах [22, 23], в частности исследуется влияние смещения лазерного луча, расстояние между лучом и дугой, и влияние параметров режимов сварки. Авторами [22] было проведено сравнение двух техник – смещение лазерного луча на сталь и гибридная лазерно-дуговая сварка (дуга и луч направлены в стык). В результате исследований было установлено, что более предпочтительной техникой является смещение луча на сталь, так как в данном случае процесс сопровождается более высокими скоростями охлаждения по сравнению с лазерно-дуговой сваркой и способствует минимизации толщины образовывавшегося ИМС (6 мкм).
Технология лазерно-дуговой сварки-пайки с промежуточным материалом, спрессованным из порошка на основе алюминия (Al80Zn8Mg7Mn2Si2), описана авторами [23], при этом луч и дуга направлены на промежуточный материал, проводится сравнение с лазерной сваркой без применения электрической дуги. Авторы заключают, что использование двух источников тепла является эффективной технологией для увеличения растекания промежуточного материала и образования сварно-паяного соединения, имеющего предел порочности 163 МПа и толщину ИМС 8,7 мкм.
В работе [24] исследуется технология лазерной сварки, и особенности последующей механической обработки стержней из стали и алюминия. Интересная и перспективная технология получения тавровых соединений предложена авторами [25]. Сущность технологии заключается в том, что в предварительно подготовленный на стальном листе паз с допуском 0,2 мм с каждой стороны, вставляется лист из алюминия, затем с обратной стороны стального листа, расфокусированным лазерным лучом производится нагрев по траектории паза (рис. 7а). Мощность лазерного луча подбирается таким образом, чтобы происходил нагрев стального листа, через который посредством тепловой кондукции происходил бы нагрев и плавление алюминия, аналогично технологии представленной в работе [19]. Это в свою очередь посредством смачивания стали расплавленным алюминием привело бы к образованию металлических связей между торцом алюминиевого листа и металлом полости паза стального листа. Также, в результате неравномерного термического воздействия на стальной лист в области меньшей толщины, происходит механическое сжатие алюминиевого листа металлом полости паза (рис. 7а, b), что повышает механические характеристики соединения. Толщина ИМС в соединении, полученном посредством предложенной техники около 5 мкм.
Эффект влияния смещения лазерного луча, совершающего круговые колебательные движения по диаметру 0,5 мм, на алюминий при гибридной лазерно-дуговой сварке встык со сталью листов толщиной 1,8 мм, описан авторами [26]. Основным технологическим параметром выбрано расстояние смещения начальной точки воздействия лазерного луча, находящееся в пределах 0–1 мм (шаг 0,2 мм) от линии стыка алюминия и стали (рис. 8).
Образовавшееся соединение является сварно-паяным, так как расплавлению был подвергнут алюминий, однако, в отличие от сварки без круговых колебаний лазерным лучом исследователи обнаружили некоторые особенности сварно-паяного соединения, полученного представленной технологией. При плавлении сплавов на основе алюминия лазерным лучом без колебаний образуется конуснообразная сварочная ванна, тогда как при плавлении лазерным лучом, совершающим круговые колебания, будет образовываться цилиндрообразная сварочная ванна. Это, в свою очередь, приводит к более равномерному по глубине взаимодействию расплавленного алюминия со сталью в нижней и верхней частях соединения и как результат – к образованию более однородного по толщине ИМС (~1,3 мкм). Посредством смещения лазерного луча на 0,8 мм были получены соединения, имеющие предел прочности около 160 МПа. Также авторами представлена модель взаимодействия атомов алюминия и железа и модель образования ИМС в зависимости от расстояния смещения.
В остальных работах описывается влияние способов, основных технологических параметров, техник и приемов, таких как выбор присадочного материала, защитного газа, применение различных покрытий соединяемых металлов, использование двухлучевой лазерной сварки, опубликовано несколько работ по дистанционной высокоскоростной сварке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы:
Лазерная сварка является перспективным видом для соединения разнородных металлов. Основными преимуществами лазерной сварки в этой области являются прецизионность воздействия, возможность точного контроля процесса плавления соединяемых материалов и малое время пребывания свариваемых материалов в расплавленном состоянии, что способствует минимизации образования интерметаллидного слоя, являющегося основной проблемой при сварке плохо свариваемых металлов. Также меньшее удельное тепловложение способствует минимизации термических деформаций.
При сварке внахлест или аналогичных соединениях стали и алюминия лазерный луч рационально направлять на сталь, посредством тепловой кондукции сталь нагревает алюминий, что приводит к контролируемому плавлению его поверхности и образованию минимального ИМС в сварно-паяном соединении.
Соединение встык данных пар металлов, как правило, характеризуется как сварно-паянное соединения, то есть для алюминия это сварка, а для стали пайка. В данном случае наиболее предпочтительной является техника смещения лазерного луча на алюминий, который имеет более низкую температуру плавления и хорошую смачиваемость стали в жидком состоянии. Предел прочности таких соединений достигает 150–160 МПа, что составляет 70–80% от прочности свариваемых алюминиевых сплавов и является приемлемым для некоторых конструкций.
В следующей статье будут представлены материалы и результаты исследований по сварке таких пар металлов как титан + сталь, сталь + никель, титан + алюминий, никель + титан и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Антипов В. В., Серебренникова Н. Ю. Коновалов А. Н., Нефедова Ю. Н. Перспективы применения в авиационных конструкциях слоистых металлополимерных материалов на основе алюминиевых сплавов. Авиационные материалы и технологии. 2020; 58: 45–53.
Башин К. А., Торсунов Р. А. Семенов С. В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющихся в аэрокосмической отрасли. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2017; 51: 51–61.
Скляр, М. О., Туричин, Г. А., Климова, О. Г., Зотов, О.Г., Топалов, И. К. Исследование влияния параметров прямого лазерного выращивания на микроструктуру изделий из стали 316L. Сталь. 2016; 12: 71–75.
Martinsen K., Hu S. J., Carlson B. E. Joining of dissimilar materials. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2015; 64: 679–699. DOI: 10.1016/j.cirp.2015.05.006.
Ряблов В. Р., Рабкин Д. М., Курочко Р. С., Стрижевская Л. Г. Сварка разнородных металлов и сплавов. – М.: Машиностроение. 1984. 239 с.
Лашко С. В., Лашко Н. Ф. Пайка металлов. 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд. Машиностроение, 1988. 376 с.
Закиров И. М., Сосов А. В., Никитин А. В., Луканкин С. А. Испытание клинч-соединения на прочность. Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. 2012; 4(2): 58–60.
Арзамасов Б. Н., Макарова В. И., Мухин Г. Г. Материаловедение: учебник для вузов / 3-е изд., стереотип. – М: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2002. 648 с.
Люшинский А. В. Диффузионная сварка разнородных материалов. Учебное пособие для студентов вузов / А. В. Люшинский. – М: Машиностроение. 2006. 208 с. Сер. Высшее профессиональное образование.
Григорянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки / Учебн. пособие для ВУЗов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2006. 664 с.
Шиганов И. Н., Курынцев С. В. Современные тенденции лазерной сварки. Часть I. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015; 6: 35–42.
Шиганов И. Н., Курынцев С. В. Современные тенденции лазерной сварки. Часть II. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015; 9: 15–20.
Патент RU2678002 С1. Способ соединения металлического материала с композиционным материалом лазерным лучом / Курынцев С. В.
Курынцев С. В., Шиганов И. Н. Сварка аустенитной стали с медью расфокусированным излучением волоконного лазера. Сварочное производство. 2017; 4: 7–11.
Лукин М. А. Контактная стыковая сварка оплавлением пакета алюминиевых листов со стальным стержнем. Сварочное производство. 2020; 3: 38–43.
Frank S. Flux-free laser joining of aluminum and galvanized steel. Journal of Materials Processing Technology. 2015, 222: 365–372. DOI: 10.1016/ j.jmatprotec.2015.03.032.
Li LQ, Xia HB, Tan CW, Ma NS. Effect of groove shape on laser welding-brazing Al to steel. Journal of Materials Processing Technology. 2018; 252:573–81. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.10.025.
Seffer O, Pfeifer R, Springer A, Kaierle S. Investigations on laser beam welding of different dissimilar joints of steel and aluminum alloys for automotive lightweight construction. Laser Assisted Net Shape Engineering 9 International Conference on Photonic Technologies Proceedings of the Lane 2016. 2016; 83:383–95. DOI: 10.1016/j.phpro.2016.08.040.
Meco S, Cozzolino L, Ganguly S, Williams S, McPherson N. Laser welding of steel to aluminium: Thermal modelling and joint strength analysis. Journal of Materials Processing Technology. 2017;247:121–33. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.04.002.
Cui L, Chen HX, Chen BX, He DY. Welding of Dissimilar Steel / Al Joints Using Dual-Beam Lasers with Side-by-Side Configuration. Metals. 2018; 8(12):21. DOI: 10.3390 / met8121017.
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.
Casalino G, Leo P, Mortello M, Perulli P, Varone A. Effects of Laser Offset and Hybrid Welding on Microstructure and IMC in Fe-Al Dissimilar Welding. Metals. 2017;7(8). DOI: 10.3390 / met7080282.
Huang JK, He J, Yu XQ, Li CL, Fan D. The study of mechanical strength for fusion-brazed butt joint between aluminum alloy and galvanized steel by arc-assisted laser welding. Journal of Manufacturing Processes. 2017; 25:126–33. DOI: 10.1016 / j.jmapro.2016.11.014.
Nothdurft S, Prasanthan V, Denkena B, Breidenstein B, Grove T, Ohrdes H, et al. Surface Integrity of Laser Beam Welded Steel-Aluminium Alloy Hybrid Shafts after Turning. Metals. 2019; 9(2). DOI: 10.3390 / met9020134.
Meco S, Ganguly S, Williams S, McPherson N. Design of laser welding applied to T joints between steel and aluminium. Journal of Materials Processing Technology. 2019; 268:132–9. DOI: 10.1016 / j.jmatprotec.2019.01.003.
Meng YF, Gong MC, Zhang S, Zhang YZ, Gao M. Effects of oscillating laser offset on microstructure and properties of dissimilar Al / steel butt-joint. Optics and Lasers in Engineering. 2020;128. DOI: 10.1016 / j.optlaseng.2020.106037.
АВТОРЫ
Курынцев Сергей Вячеславович, канд. эконом. наук, E‑mail: kuryntsev16@mail.ru, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия.
Шиганов Игорь Николаевич, доктор техн. наук, профессор, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ВКЛАД АВТОРОВ
Курынцев С. В. – идея, перевод и анализ материала, работа с графической частью, обработка результатов. Шиганов И. Н. – обсуждение, предложения и замечания, анализ материалов.
Информация о конфликте интересов
Авторы заверяют, что не имеют реального или потенциального конфликта интересов.
С. В. Курынцев1, И. Н. Шиганов2
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
Представлен количественный и качественный анализ мировых тенденций в области лазерной сварки разнородных металлов за 2016–2019 годы. Определено, что лазерная сварка получила наибольшее распространение для соединений стали с алюминием, титана с алюминием, алюминия с медью. Представлен анализ основных техник и способов сварки разнородных металлов, результаты исследования их влияния на металлургию процесса, микроструктуру и механические свойства соединений. Акцент сделан на описании техники и способов лазерной сварки алюминия со сталью.
Ключевые слова: лазерная сварка, разнородные металлы, свариваемость, микроструктура, интерметаллидный слой, механические свойства
Статья получена: 01.08.2020
Принята к публикации: 26.08.2020
ВВЕДЕНИЕ
Основным трендом современного конструкционного машиностроения является снижение веса конечного изделия за счет использования материалов и конструкций, имеющих высокую прочность и низкий удельный вес [1]. Примером таких материалов являются композиционные материалы на основе углеволокна, высокопрочные дуплексные стали, пористые или полые материалы [2, 3], полученные с применением аддитивных технологий и с учетом топологической оптимизации. Также к таким материалам можно отнести мульти-материалы или гибридные структуры, состоящие из нескольких разнородных материалов, соединенных между собой каким-либо способом, например сваркой, болтовыми или клепаными соединениями, склеиванием, пайкой и т. д. [4].
Как правило, наибольшую прочность и герметичность соединений обеспечивают сварные, паяные или клееные соединения. Склеиваемость, свариваемость и паяемость разнородных материалов, может быть осложнена различием физических и термомеханических свойств соединяемых материалов и их поверхностей [5, 6]. Что требует необходимости применения сложных гибридных технологий, основанных на термическом, механическом, химическом воздействии на соединяемые заготовки, к таким технологиям относятся сварка-пайка, сварка-склеивание, клинч-соединения [7] и прочие. Например, кузов современного легкового автомобиля по массе состоит, примерно, из 96 кг алюминия, 66 кг стали, 11 кг магния, 7 кг пластика [4], поэтому вопрос соединения разнородных материалов является актуальной и перспективной наукоемкой технологической задачей.
Понимание физических, химических и металлургических процессов, происходящих при сварке и пайке разнородных материалов, является основой для выбора вида и способа сварки, техник и технологии сварки с целью получения соединения с требуемыми характеристиками. При сварке плавлением разнородных металлов необходимо рассматривать как физические свойства соединяемых материалов, так и металлургию их взаимодействия в жидком состоянии, препятствующих образованию качественного сварного соединении [5].
В связи с тем, что сварка плавлением подразумевает непременное расплавление материала в зоне шва и нагрев до температур Т = 0,8 Тпл в околошовной зоне, необходимо рассматривать процессы взаимодействия соединяемых материалов при плавлении и кристаллизации. Все процессы плавления и кристаллизации, а также образование интерметаллидных соединений отражаются диаграммами состояния двойных систем [8]. По типу диаграммы состояния двух свариваемых материалов можно предусмотреть образование той или иной структуры. При этом следует различать влияние на структуру механизма кристаллизации с одной стороны и последующих фазовых превращений в твердом состоянии с другой. Диаграммы состояния эвтектического и перетектического типов, компоненты которых при плавлении образуют однородную жидкость с ограниченной растворимостью, а в твердом состоянии практически не растворимы друг в друге, наиболее благоприятны. При плавлении и кристаллизации таких материалов в шве получается однородная гетерогенная структура с чередующимися частицами составляющих элементов.
Сварка плавлением подобных материалов возможна без особых трудностей. Если же компоненты свариваемых материалов при расплавлении и кристаллизации обладают ограниченной или неограниченной взаимной растворимостью, то при сварке таких материалов в шве будут образовываться твердые растворы с плавно изменяющейся от линии сплавления концентрацией. Прочность шва таких соединений может быть достаточно высока. При сварке материалов с ограниченной растворимостью компонентов в шве будет присутствовать наряду с твердыми растворами эвтектика или перетектика, в зависимости от диаграммы состояния.
Однако существуют материалы, которые не смешиваются в жидком состоянии и образуют диаграммы состояния с полным отсутствием взаимодействия. При расплавлении в шве таких материалов они расслаиваются, не обеспечивая нужных механических свойств. Таким образом, приступая к разработке технологии сварки разнородных материалов необходимо в первую очередь выяснить тип их диаграммы состояния при плавлении и кристаллизации.
На практике основной проблемой, снижающей механические и эксплуатационные свойства сварных соединений из разнородных сплавов, является образование интерметаллидного слоя (ИМС), являющегося очень твердым и хрупким [9]. Интерметаллическая фаза может быть полезной для сплава, являться дисперсным упрочнителем, тормозящим дислокации, в том случае, когда она равномерно распределена между зернами в объеме металла [5]. Однако, если ИМС будет присутствовать в виде непрерывной полосы на границе или на линии сплавления двух металлов, то в этом случае она будет нести угрозу разрушению соединения, слабой областью будет являться линия перехода или ЗТВ от ИМС к основному металлу.
В табл. 1 приведены характеристики возможности сварки некоторых пар металлов. Как видно из таблицы отличной свариваемостью обладают только медь и никель. Это связано с тем, что эти материалы обладают химическим сродством, образовывают твердый раствор замещения неограниченной растворимости. Остальные пары металлов в основном обладают удовлетворительной свариваемостью. Поэтому важной задачей является обеспечение равномерности диффузионных процессов по толщине свариваемых встык материалов.
Одним из эффективных методов сварки разнородных материалов является лазерная сварка [10–12]. При сварке разнородных металлов основным преимуществом является высокая скорость сварки и концентрированность энергии, позволяющие, минимизировать время взаимодействия соединяемых металлов, как правило, имеющих разную температуру плавления, ограниченную взаимную растворимость, коэффициенты теплоемкости и теплопроводности. Минимизация времени взаимодействия приводит к минимизации образования интерметаллидов между свариваемыми металлами, которые обычно имеют высокую твердость и хрупкость, низкую тепло- и электропроводность.
Цель работы – количественный и качественный анализ мировых тенденций лазерной сварки разнородных металлов, обзор мировых трендов, способов и техник соединения.
АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ МИРОВЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Как показывает анализ публикаций по реферативной базе данных Scopus за последние 4 года по теме лазерная сварка разнородных металлов опубликовано около 270 статей, 70% из которых в высокорейтинговых журналах, остальные в материалах конференций и переводных журналах. На рис. 1 представлено распределение количества статей по лазерной сварке различных пар металлов за 2016–2019 года включительно. Как видно, наибольшее количество публикаций посвящено соединению стали с алюминием (26%), данные соединения широко применяются в автостроении, поэтому в данных работах, в основном, описываются технологии сварки или сварки-пайки листовых заготовок малых толщин (до 2–3 мм). На втором месте среди пар металлов находится пара титан + алюминий (9%), данные соединения широко применяются в авиа- и ракетостроении, изделиях космического назначения, в которых основным требованием является минимизация веса.
Здесь же следует отметить и соединения титана с магнием (5%), которые также применяются в выше указанных отраслях. На третьем месте находятся соединения алюминия и меди (8%), данная пара металлов применяется в электротехнической и теплоэнергетической промышленностях. Публикации об остальных парах металлов, таких как, никель + титан, титан + сталь, медь + сталь, никель + сталь, титан + магний составляют от 3 до 6% от общего количества статей.
Следует отметить, что количество статей по теме соединение металлических материалов с неметаллическими (углеволоконными композитами, органическими стеклами, пластмассами) с применением лазерного излучения около 9% от общего объема. Как правило, это нахлесточный тип соединения, при котором лазерным лучом воздействуют на металл или на неметаллический материал. При воздействии лазерным лучом на металл осуществляется его нагрев или плавление на неполную глубину в зависимости от толщины, неметаллический материал, находящийся с противоположной стороны нагревается и в вязко текучем состоянии взаимодействует с нагретым металлом. Таким образом, образуется не прочное, но герметичное соединение [13].
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Основными технологическими приемами, применяемыми при лазерной сварке разнородных металлов, являются:
- смещение лазерного луча на один из свариваемых металлов;
- применение промежуточных металлов или нанесение покрытий.
При выборе смещения лазерного луча на один из свариваемых металлов руководствуются различными факторами и свойствами соединяемых металлов – степенью поглощения металлом лазерного излучения определенной длины волны, температурой плавления, смачиваемостью одного компонента другим или наоборот, взаимной растворимостью компонентов на уровне кристаллического строения, отличием теплоемкости и теплопроводности.
Например, при сварке хорошо свариваемых меди с нержавеющей сталью, лазерный луч смещается на сталь, сталь расплавляется, смачивает и нагревает медь посредством тепловой кондукции (теплопередачи в твердом теле), образуя металлические связи. Если луч направить на медь, то, во‑первых, лазерное излучение почти всех длин волн в ИК‑спектре будет отражаться на 99% [11], во‑вторых, теплопроводность меди в 5 раз больше чем железа [8, 14], тепло, образованное воздействием лазерного излучения будет рассеиваться, а не плавить медь и т. д.
В случае сварки ограничено свариваемых металлов, например, стали с алюминием в основном лазерный луч смещается на алюминий, хотя его теплопроводность и степень отражения лазерного излучения выше, чем у стали, но смачиваемость стали расплавленным жидким алюминием выше, чем смачиваемость алюминия жидким железом [6]. Также температура плавления железа почти в 3 раза выше чем температура плавления алюминия, то есть плавление железа может привести к кипению алюминия, и как следствие, к образованию дефектов. При этом посредством смещения лазерного луча в диапазоне 0,1–2 мм в зависимости от скорости и толщины свариваемых заготовок можно управлять толщиной образования ИМС.
Применение промежуточных металлов или нанесение покрытий, металлургически совместимых с обоими плохо свариваемыми между собой металлами, широко распространенная техника, применяемая в различных видах сварки, таких как, диффузионная, взрывом, давлением и т. д. [5, 9]. Если в указанных видах сварки данная техника сварки применяется для нахлесточного типа соединений, то в случае лазерной сварки она применяется и для нахлесточных соединений, и для стыковых. При сварке стыковых соединений промежуточный металл может плавиться как напрямую лазерным лучом, так и посредством тепловой кондукции при смещении лазерного луча на один из свариваемых компонентов. В случае нахлесточных соединений промежуточный металл нагревается кондуктивно и не всегда плавится, так как напрямую лазерный луч на него не воздействует. Как правило, большая часть соединений, полученных вышеуказанными способами, являются сварно-паяными. То есть для одного металла процесс характеризуется как сварка: он расплавляется, смачивая другой металл, для которого процесс характеризуется как пайка. Механические свойства таких соединений могут достигать 70–90% от свойств менее прочного металла [4].
В указанных технологических приемах, посредством высокой степени контролируемости параметров лазерного излучения можно контролировать, перегрев и толщину переходного слоя или ИМС, что позволяет существенно улучшить качество соединения и его механические и эксплуатационные свойства.
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СО СТАЛЬЮ
Как было сказано выше, наиболее распространенной парой свариваемых лазерной сваркой металлов являются сталь с алюминием, так как получили наибольшее распространение в качестве конструкционных материалов. Основные физические свойства алюминия и железа представлены в табл. 2. Из представленных данных видно, что свойства отличаются значительно, в том числе и на уровне атомного строения, в частности постоянная решетки отличается почти в 1,5 раза, атомный радиус алюминия равен 143 пм, железа 126 пм, кристаллическая решетка алюминия одинакова только с гамма-железом.
Железо является переходным металлом. В соответствии с диаграммой состояния образует с алюминием эвтектику и имеет низкую растворимость в твердом алюминии. Алюминий в свою очередь хорошо растворяется в альфа-железе, образуя следующие стабильные фазы Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, FeAl3, каждая из которых обладает определенной областью гомогенности [5, 8, 15]. В виду указанных отличий строения и свойств алюминия и железа, сварка плавлением данных металлов является наукоемкой технологической задачей.
В работе [16] представлены основные виды сварно-паяных соединений применяемых в автомобилестроении (рис. 3 а, b), в использованной технологии лазерный луч направлялся на присадочную проволоку, которая в расплавленном состоянии взаимодействует со сталью DX51D и сплавом AlMgSi1 (рис. 4), соединяемые материалы при этом лазерным лучом не расплавляются.
Авторами представлены результаты исследования лазерной сварки-пайки с применением различных присадочных материалов (AlSi5, AlSi12, ZnAl2), максимальные значения прочности были получены у образцов с присадочным материалом на основе цинка (220 МПа), образцы с присадочным материалом на основе алюминия (160–180 МПа). Разрушение образцов наблюдалось по ЗТВ алюминия (рис. 5 а, b).
Влияние формы разделки кромок (рис. 6а, b, c) при сварке встык алюминиевого сплава 6061-T6 и стали DP590 представлено авторами [17], также проведен сравнительный анализ полученных результатов с математическим моделированием распределения теплового поля в зависимости от формы разделки кромок, предложенные модели являются верифицируемыми. Предел прочности при растяжении исследуемых образцов находится в пределах 108–145 МПа, удлинение менее 1 мм, наибольшие значения имели образцы с формой разделки, представленной на рис. 6c, они же имели минимальную толщину ИМС (8,8 мкм). Наименьшие значение предела прочности при растяжении имели образцы с формой разделки кромок, представленной на рис. 6а, они же имели наибольшую толщину ИМС.
В работах [18–20] описываются исследования сварки листов из алюминия и стали внахлест. В частности, в работе [18] проводятся исследования влияния погонной энергии и техники сварки (воздействие лучом со стороны алюминия или со стороны стали) на механические свойства сварных соединений. Авторы заключают, что техника сварки, при которой лазерный луч плавит алюминий, не является предпочтительной, так как расплавленный алюминий слишком активно взаимодействует со сталью, это приводит к образованию ИМС большой толщины, а в некоторых случаях к образованию трещин.
Моделирование распространения температурных полей при лазерной сварке расфокусированным лучом диаметром 13 мм внахлест стали и алюминия, при воздействии лучом на сталь описывается авторами [19]. Предложенная модель и установленные граничные условия показывают адекватность модели термического цикла и реального эксперимента, в частности глубину и ширину проплава, от которых зависят механические свойства. Авторы устанавливают, что максимальные механические свойства при испытаниях на срез соединение имеет при условии минимального ИМС и максимальной ширины области взаимодействия стали и алюминия, обеспечиваемой расфокусированным лазерным лучом.
В работе [20] описываются исследования сварки стали и алюминия раздвоенным лазерным лучом внахлест, при воздействии со стороны стали, при этом луч раздваивали вдоль или поперек направления сварки, варьируется расстояние между лучами и соотношение мощности лучей. Максимальные механические свойства при испытаниях на срез (109,2 Н / мм) были получены при соотношении мощности лучей 3 / 2 и их поперечном расположении относительно направления сварки.
Результаты исследований и механических испытаний корпусного элемента автобуса, полученного лазерной сваркой стали с алюминием приводятся в работе [21]. В данной работе показано, что полученные соединения имеют необходимые прочностные характеристики (125–130 МПа), достаточные для обеспечения безопасной эксплуатации пассажирских транспортных средств.
Гибридная лазерно-дуговая сварка стали и алюминия встык описывается в работах [22, 23], в частности исследуется влияние смещения лазерного луча, расстояние между лучом и дугой, и влияние параметров режимов сварки. Авторами [22] было проведено сравнение двух техник – смещение лазерного луча на сталь и гибридная лазерно-дуговая сварка (дуга и луч направлены в стык). В результате исследований было установлено, что более предпочтительной техникой является смещение луча на сталь, так как в данном случае процесс сопровождается более высокими скоростями охлаждения по сравнению с лазерно-дуговой сваркой и способствует минимизации толщины образовывавшегося ИМС (6 мкм).
Технология лазерно-дуговой сварки-пайки с промежуточным материалом, спрессованным из порошка на основе алюминия (Al80Zn8Mg7Mn2Si2), описана авторами [23], при этом луч и дуга направлены на промежуточный материал, проводится сравнение с лазерной сваркой без применения электрической дуги. Авторы заключают, что использование двух источников тепла является эффективной технологией для увеличения растекания промежуточного материала и образования сварно-паяного соединения, имеющего предел порочности 163 МПа и толщину ИМС 8,7 мкм.
В работе [24] исследуется технология лазерной сварки, и особенности последующей механической обработки стержней из стали и алюминия. Интересная и перспективная технология получения тавровых соединений предложена авторами [25]. Сущность технологии заключается в том, что в предварительно подготовленный на стальном листе паз с допуском 0,2 мм с каждой стороны, вставляется лист из алюминия, затем с обратной стороны стального листа, расфокусированным лазерным лучом производится нагрев по траектории паза (рис. 7а). Мощность лазерного луча подбирается таким образом, чтобы происходил нагрев стального листа, через который посредством тепловой кондукции происходил бы нагрев и плавление алюминия, аналогично технологии представленной в работе [19]. Это в свою очередь посредством смачивания стали расплавленным алюминием привело бы к образованию металлических связей между торцом алюминиевого листа и металлом полости паза стального листа. Также, в результате неравномерного термического воздействия на стальной лист в области меньшей толщины, происходит механическое сжатие алюминиевого листа металлом полости паза (рис. 7а, b), что повышает механические характеристики соединения. Толщина ИМС в соединении, полученном посредством предложенной техники около 5 мкм.
Эффект влияния смещения лазерного луча, совершающего круговые колебательные движения по диаметру 0,5 мм, на алюминий при гибридной лазерно-дуговой сварке встык со сталью листов толщиной 1,8 мм, описан авторами [26]. Основным технологическим параметром выбрано расстояние смещения начальной точки воздействия лазерного луча, находящееся в пределах 0–1 мм (шаг 0,2 мм) от линии стыка алюминия и стали (рис. 8).
Образовавшееся соединение является сварно-паяным, так как расплавлению был подвергнут алюминий, однако, в отличие от сварки без круговых колебаний лазерным лучом исследователи обнаружили некоторые особенности сварно-паяного соединения, полученного представленной технологией. При плавлении сплавов на основе алюминия лазерным лучом без колебаний образуется конуснообразная сварочная ванна, тогда как при плавлении лазерным лучом, совершающим круговые колебания, будет образовываться цилиндрообразная сварочная ванна. Это, в свою очередь, приводит к более равномерному по глубине взаимодействию расплавленного алюминия со сталью в нижней и верхней частях соединения и как результат – к образованию более однородного по толщине ИМС (~1,3 мкм). Посредством смещения лазерного луча на 0,8 мм были получены соединения, имеющие предел прочности около 160 МПа. Также авторами представлена модель взаимодействия атомов алюминия и железа и модель образования ИМС в зависимости от расстояния смещения.
В остальных работах описывается влияние способов, основных технологических параметров, техник и приемов, таких как выбор присадочного материала, защитного газа, применение различных покрытий соединяемых металлов, использование двухлучевой лазерной сварки, опубликовано несколько работ по дистанционной высокоскоростной сварке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы:
Лазерная сварка является перспективным видом для соединения разнородных металлов. Основными преимуществами лазерной сварки в этой области являются прецизионность воздействия, возможность точного контроля процесса плавления соединяемых материалов и малое время пребывания свариваемых материалов в расплавленном состоянии, что способствует минимизации образования интерметаллидного слоя, являющегося основной проблемой при сварке плохо свариваемых металлов. Также меньшее удельное тепловложение способствует минимизации термических деформаций.
При сварке внахлест или аналогичных соединениях стали и алюминия лазерный луч рационально направлять на сталь, посредством тепловой кондукции сталь нагревает алюминий, что приводит к контролируемому плавлению его поверхности и образованию минимального ИМС в сварно-паяном соединении.
Соединение встык данных пар металлов, как правило, характеризуется как сварно-паянное соединения, то есть для алюминия это сварка, а для стали пайка. В данном случае наиболее предпочтительной является техника смещения лазерного луча на алюминий, который имеет более низкую температуру плавления и хорошую смачиваемость стали в жидком состоянии. Предел прочности таких соединений достигает 150–160 МПа, что составляет 70–80% от прочности свариваемых алюминиевых сплавов и является приемлемым для некоторых конструкций.
В следующей статье будут представлены материалы и результаты исследований по сварке таких пар металлов как титан + сталь, сталь + никель, титан + алюминий, никель + титан и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Антипов В. В., Серебренникова Н. Ю. Коновалов А. Н., Нефедова Ю. Н. Перспективы применения в авиационных конструкциях слоистых металлополимерных материалов на основе алюминиевых сплавов. Авиационные материалы и технологии. 2020; 58: 45–53.
Башин К. А., Торсунов Р. А. Семенов С. В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющихся в аэрокосмической отрасли. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2017; 51: 51–61.
Скляр, М. О., Туричин, Г. А., Климова, О. Г., Зотов, О.Г., Топалов, И. К. Исследование влияния параметров прямого лазерного выращивания на микроструктуру изделий из стали 316L. Сталь. 2016; 12: 71–75.
Martinsen K., Hu S. J., Carlson B. E. Joining of dissimilar materials. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2015; 64: 679–699. DOI: 10.1016/j.cirp.2015.05.006.
Ряблов В. Р., Рабкин Д. М., Курочко Р. С., Стрижевская Л. Г. Сварка разнородных металлов и сплавов. – М.: Машиностроение. 1984. 239 с.
Лашко С. В., Лашко Н. Ф. Пайка металлов. 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд. Машиностроение, 1988. 376 с.
Закиров И. М., Сосов А. В., Никитин А. В., Луканкин С. А. Испытание клинч-соединения на прочность. Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. 2012; 4(2): 58–60.
Арзамасов Б. Н., Макарова В. И., Мухин Г. Г. Материаловедение: учебник для вузов / 3-е изд., стереотип. – М: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2002. 648 с.
Люшинский А. В. Диффузионная сварка разнородных материалов. Учебное пособие для студентов вузов / А. В. Люшинский. – М: Машиностроение. 2006. 208 с. Сер. Высшее профессиональное образование.
Григорянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки / Учебн. пособие для ВУЗов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2006. 664 с.
Шиганов И. Н., Курынцев С. В. Современные тенденции лазерной сварки. Часть I. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015; 6: 35–42.
Шиганов И. Н., Курынцев С. В. Современные тенденции лазерной сварки. Часть II. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015; 9: 15–20.
Патент RU2678002 С1. Способ соединения металлического материала с композиционным материалом лазерным лучом / Курынцев С. В.
Курынцев С. В., Шиганов И. Н. Сварка аустенитной стали с медью расфокусированным излучением волоконного лазера. Сварочное производство. 2017; 4: 7–11.
Лукин М. А. Контактная стыковая сварка оплавлением пакета алюминиевых листов со стальным стержнем. Сварочное производство. 2020; 3: 38–43.
Frank S. Flux-free laser joining of aluminum and galvanized steel. Journal of Materials Processing Technology. 2015, 222: 365–372. DOI: 10.1016/ j.jmatprotec.2015.03.032.
Li LQ, Xia HB, Tan CW, Ma NS. Effect of groove shape on laser welding-brazing Al to steel. Journal of Materials Processing Technology. 2018; 252:573–81. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.10.025.
Seffer O, Pfeifer R, Springer A, Kaierle S. Investigations on laser beam welding of different dissimilar joints of steel and aluminum alloys for automotive lightweight construction. Laser Assisted Net Shape Engineering 9 International Conference on Photonic Technologies Proceedings of the Lane 2016. 2016; 83:383–95. DOI: 10.1016/j.phpro.2016.08.040.
Meco S, Cozzolino L, Ganguly S, Williams S, McPherson N. Laser welding of steel to aluminium: Thermal modelling and joint strength analysis. Journal of Materials Processing Technology. 2017;247:121–33. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.04.002.
Cui L, Chen HX, Chen BX, He DY. Welding of Dissimilar Steel / Al Joints Using Dual-Beam Lasers with Side-by-Side Configuration. Metals. 2018; 8(12):21. DOI: 10.3390 / met8121017.
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.
Casalino G, Leo P, Mortello M, Perulli P, Varone A. Effects of Laser Offset and Hybrid Welding on Microstructure and IMC in Fe-Al Dissimilar Welding. Metals. 2017;7(8). DOI: 10.3390 / met7080282.
Huang JK, He J, Yu XQ, Li CL, Fan D. The study of mechanical strength for fusion-brazed butt joint between aluminum alloy and galvanized steel by arc-assisted laser welding. Journal of Manufacturing Processes. 2017; 25:126–33. DOI: 10.1016 / j.jmapro.2016.11.014.
Nothdurft S, Prasanthan V, Denkena B, Breidenstein B, Grove T, Ohrdes H, et al. Surface Integrity of Laser Beam Welded Steel-Aluminium Alloy Hybrid Shafts after Turning. Metals. 2019; 9(2). DOI: 10.3390 / met9020134.
Meco S, Ganguly S, Williams S, McPherson N. Design of laser welding applied to T joints between steel and aluminium. Journal of Materials Processing Technology. 2019; 268:132–9. DOI: 10.1016 / j.jmatprotec.2019.01.003.
Meng YF, Gong MC, Zhang S, Zhang YZ, Gao M. Effects of oscillating laser offset on microstructure and properties of dissimilar Al / steel butt-joint. Optics and Lasers in Engineering. 2020;128. DOI: 10.1016 / j.optlaseng.2020.106037.
АВТОРЫ
Курынцев Сергей Вячеславович, канд. эконом. наук, E‑mail: kuryntsev16@mail.ru, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева – КАИ, Казань, Россия.
Шиганов Игорь Николаевич, доктор техн. наук, профессор, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ВКЛАД АВТОРОВ
Курынцев С. В. – идея, перевод и анализ материала, работа с графической частью, обработка результатов. Шиганов И. Н. – обсуждение, предложения и замечания, анализ материалов.
Информация о конфликте интересов
Авторы заверяют, что не имеют реального или потенциального конфликта интересов.
Отзывы читателей
