Лазерная сварка титана и алюминия

В транспортном машиностроении широко применяются титан и алюминий. Обычно их соединяли при помощи клепки. Но скорость автоматическая клепки – не более 0,3 м в минуту. Метод лазерной сварки увеличивает скорость до 4 м в мин. Но возникают проблемы с прочностью такого соединения – алюминий и титан имеют разные характеристики: температура плавления, теплопроводность, плотность. Исследования показали, что в сварном шве образуются новые хрупкие химические соединения, а также остаточные термические напряжения. Это снижает прочность сварки.

Ученые провели диагностику швов с помощью синхротронного излучения, которое генерируется частицами, ускоренными магнитным полем. Таким образом они определили структуру металла и определили его плотность в различных точках внутри и на поверхности соединения.

Исследователи решили задачу, сместив пучок лазерного излучения на 1 мм в сторону титанового сплава. Количество интерметаллидов сократилось, а прочность сварного шва увеличилась в 2,25 раза.

Впервые был применен комплексный подход, включающий лазерную сварку в оптимальном режиме, последующую термическую обработку современных высокопрочных, термически упрочняемых алюминиевых и титановых сплавов, а также разнородных соединений Al–Ti, не свариваемых традиционными методами, что позволило получать неразъемные соединения с прочностью, близкой к прочности сплавов.

Во время экспериментов была использована добавка с большим содержанием керамики на основе карбида вольфрама (WС до 70%) для формирования многослойной высокопрочной функционально-градиентной гетерогенной структуры на основе аддитивных технологий. Установлено, что в процессе лазерного воздействия частицы WС уменьшаются в размерах (растворяются).

Методом аддитивных технологий было сформировано многофункциональное гетерогенное покрытие (TiB, TiB2, TiC, B4C + Ti-6Al-4V). Достигнуто увеличение устойчивости к абразивному износу более чем в 4 раза при добавлении 10% масс. В4С в титановый сплав Ti–6Al–4V. Установлено существенное увеличение значений микротвердости в слоях, включающих новые синтезированные керамическими фазы (TiB, TiB2, TiC). 

В работах участвовали специалисты Лаборатории лазерных технологий Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича (ИТПМ СО РАН), станции «Дифрактометрия в жестком рентгеновском излучении» ЦКП «СЦСТИ» Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН), Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН).

Результаты исследования открывают перспективу создания технологии автоматической лазерной сварки сплавов на основе титана и алюминия при создании различных конструкций в транспортном машиностроении и авиакосмической отрасли.

P.S. Исследователи также обнаружили неоднородные кратероподобные структуры и микротрещины на срезе поверхности толстых стальных 16 мм листов после лазерного реза. Определены условия для качественной лазерно-кислородной резки толстой стали, чтобы избавиться от побочных явлений и достигнуть минимума шероховатости.

Источник: ИТПМ СО РАН