[1]Изобретение относится к области металлургии и, в частности, к лазерной сварке алюминиевых сплавов.
[2]Известен способ увеличения глубины проплавления сварного соединения при лазерной сварке алюминиевых сплавов, включающий нанесение слоя порошка магния или цинка толщиною 1÷20 мкм и последующее нанесение слоя порошка алюминия толщиною 10÷100 мкм методом термического напыления. Вследствие шероховатости поверхностного слоя алюминия, характерной для термических способов нанесения покрытий, обеспечивается более высокая поглощающая способность лазерного излучения. Промежуточный слой магния и цинка при воздействии нагрева испаряется и за счет отсутствия плотности напыленного слоя создает «замочную скважину», что также увеличивает поглощение лазерного излучения и глубину проплавления основного металла (патент КНР №102861990).
[3]Известен способ лазерной сварки алюминиевых сплавов, включающий предварительное нанесение на поверхность свариваемых деталей нанослоя оксида различных металлов, в частности иттрия, для увеличения поглощающей способности лазерного излучения и последующую сварку (патент КНР №102079013).
[4]Недостатком данных способов является сложность нанесения многослойного покрытия и нанометрового слоя оксида металлов, что приводит к увеличению стоимости изготовления изделий и трудоемкости.
[5]Известен способ лазерной сварки алюминиевых сплавов с нанесенным слоем никелевого покрытия, который обеспечивает меньшее отражение лазерного излучения и большую глубину проплавления (А.А. Малащенко, А.В. Мезенов «Лазерная сварка металлов». М.: Машиностроение, 1984. - 44 с), прототип.
[6]Недостатком данного способа является отсутствие упрочняющего эффекта в металле шва и получение соединений с более низкими, по сравнению с основным материалом, механическими свойствами.
[7]Задачей изобретения является повышение прочностных характеристик сварных швов и соединений из алюминиевых сплавов, выполненных лазерной сваркой, причем прочность сварных швов принимается равной или выше прочности основного материала: σв шва ≥ σв ом.
[8]Технический результат заключается в возможности получения конструкций с улучшенными механическими свойствами, и как следствие, в повышении эксплуатационной стойкости изделий.
[9]Для достижения названного технического результата предлагается способ лазерной сварки алюминиевых сплавов, включающий нанесение никелевого покрытия на поверхности свариваемых кромок и сварку, при этом никелевое покрытие наносят гальваническим методом, а толщину никелевого покрытия устанавливают с учетом обеспечения объема нанесенного покрытия равного 0,4÷0,6% от объема сварочной ванны.
[10]Кроме этого, кромки сварных соединений могут быть выполнены под углом 5÷15°.
[11]Применение никелевого покрытия при лазерной сварке алюминиевых сплавов позволяет существенно снизить потери мощности лазерного излучения за счет отражения от чистой алюминиевой поверхности.
[12]Известно, что для увеличения прочности неразъемных соединений из алюминиевых сплавов сварной шов можно дополнительно легировать никелем. Никель имеет ограниченную растворимость в фазах, содержащих алюминий, кремний, марганец и медь, повышая их прочностные свойства.
[13]Вместе с этим, наличие никеля в сплаве позволяет связывать примеси железа, которые всегда присутствуют в алюминиевых сплавах и снижают обрабатываемость резанием и давлением в более пластичные фазы Al9FeNi.
[14]Однако при этом соотношение никеля к железу в сплаве должно составлять примерно 1:1. При большем содержании железа происходит увеличение
[15]твердости сплава и существенное снижение его пластических свойств. При большем содержании никеля возможно выделение никеля в виде отдельных фаз и образование интерметаллидов при взаимодействии с легирующими компонентами сплава, что также может охрупчивать сварное соединение.
[16]Для обеспечения заданного содержания железа и никеля в сварном соединении необходимо выбирать такую толщину никелевого покрытия, чтобы массовая доля никеля, переходящая в сварочную ванну, примерно соответствовала массовой доли железа. Поскольку в большинстве промышленно выпускаемых алюминиевых сплавах процентное содержание железа составляет 0,4÷0,6 масс. %, то аналогичное процентное содержание должно обеспечивать и никелевое покрытие.
[17]Для уменьшения потерь мощности лазерного излучения возможно также использовать разделку кромок под небольшими углами. Разделка кромок под углом 5÷15° позволит обеспечить минимальную потерю мощности и увеличить глубину проплавления основного металла.
[19]Изготавливался корпус из листов сплава АМц толщиною 2 мм. Предварительно на свариваемые кромки гальваническим методом наносилось никелевое покрытие толщиною 6÷9 мкм. Толщина покрытия выбиралась (при условии, что объем покрытия равен 0,4÷0,6% от объема сварочной ванны) по формуле:
[20]
,
[21]где Vпокр. - объем покрытия,
[22]Sпокр. - суммарная площадь покрытия.
[23]Объем сварочной ванны оценивался на основании расчетной площади сечения сварного соединения (для стыкового соединения) по формуле:
[24]
,
[25]где Sшва - площадь сечения шва,
[27]δм - толщина свариваемого металла,
[28]е и e1 - ширина шва и проплавления соответственно,
[29]g и g1 - высота валика шва и корня шва соответственно.
[30]В результате расчетов определено, что объем покрытия равен 0,48% от объема сварочной ванны.
[31]Сварка осуществлялась на лазерном комплексе LRS-300AU на автоматизированном столе в импульсном режиме. Режимы сварки: энергия импульса 40 Дж, диаметр сфокусированного луча 0,3÷0,4 мм, длительность импульса 0,2÷0,3 мс, прямоугольная форма импульса, фокусное расстояние 12 мм.
[32]После сварки из образцов вырезались макетные образцы для испытаний на механическую прочность. Испытания проводились на стандартизованной разрывной машине. В результате исследований было установлено, что разрушение всех образцов происходит по основному материалу, и предел прочности образцов составлял 136÷143 МПа.
[33]Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить получение сварных соединений с гарантированной прочностью сварных швов выше прочности основного материала, что позволит обеспечить более высокие механические свойства сварных конструкций.
