Лазерная сварка титана и разнородных металлов: защита шва, интерметаллиды, прослойки

Титан: почему нужна защита с трёх сторон

Титан реагирует с кислородом, азотом и водородом задолго до плавления. Справочные данные о ВТ1-0 на сайте сходятся с опытом: при нагреве выше 500–600 °C металл поглощает эти газы и теряет пластичность, поэтому защищают не только ванну, но и остывающий шов, а иногда и обратную сторону. Температура плавления титана 1668 °C, ВТ1-0 проводит тепло примерно в 20 раз хуже меди (около 19 Вт/(м·К) против 387), так что хвост шва остаётся горячим дольше, чем на стали.

Авторы работы о защите титанового сплава ТС4 (Ti-6Al-4V) при лазерной сварке нашли температурный порог 480 °C и сопоставили его с цветом поверхности шва.

Цвет удобно смотреть сразу после шва, но для ответственных деталей к нему добавляют контроль излома или твёрдости на образце.

Какой газ и как его подавать

Аргон подходит, азот нет: титан поглощает азот так же, как кислород и водород, и шов становится хрупким. Для хвоста шва нужна отдельная трубка или козырёк, направленные на горячий металл за ванной. В опыте на титане Gr.2 толщиной 7 мм аргоновое устройство закрывало шов и спереди, и сзади, и все образцы на растяжение разорвались по основному металлу, то есть шов оказался прочнее листа.

Расход газа играет меньшую роль, чем форма сопла. В опыте на ТС4 (1800 Вт, скорость 1,2, 1,8 и 3,6 м/мин) расход аргона 10, 15, 20 и 25 л/мин почти не менял размер защищённой зоны. Лучше всего защищало сопло внутренним диаметром 16 мм на высоте 5 мм, а угол от 30° до 75° большой разницы не давал. Из этого следует практический вывод: если шов синеет, сначала приблизьте сопло и расширьте его, а потом добавляйте газ.

Режим и толщина

Опыты на титане Gr.2 показывают, как резко меняется глубина при росте мощности и скорости. Источник на 6 кВт, для режима 4080 Вт авторы указывают зазор 0,2 мм и расфокусировку −2 мм.

Ручной аппарат IPG LightWELD на 1500 Вт заявляет до 5,2 мм титана, на 2000 Вт до 5,9 мм. Но у ручного пистолета нет хвостового козырька, поэтому на ответственных деталях без доработки защиты не обойтись. Больше о том, как мощность связана с толщиной, в статье про максимальную толщину лазерной сварки.

Разнородные металлы: что мешает

Две беды у любой пары: металлы плавятся при разной температуре и расширяются по-разному. По обзору разнородной лазерной сварки, алюминий плавится при 660 °C, титан при 1668 °C, а коэффициент линейного расширения у алюминия 23,1·10⁻⁶ 1/К, у титана 8,4·10⁻⁶, у стали 9–15·10⁻⁶. При остывании шов тянут в разные стороны, и вместе с хрупкой фазой это даёт трещину.

Хрупкую фазу называют интерметаллидом. Он растёт на границе, когда два металла смешались в ванне. У стали с алюминием это соединения AlFe, Al3Fe, Al5Fe2, Al13Fe4, чем больше в них алюминия, тем они твёрже и хрупче. У титана со сталью TiFe, TiFe2 и Ti2Fe. У алюминия с медью Al2Cu, AlCu и Al4Cu9.

Для практики есть три рычага:

• Смещение луча. Луч направляют на более тугоплавкий металл, а легкоплавкий плавится от тепла ванны. В обзоре для пары сталь и алюминий называют смещение 0,4–0,6 мм, для стали с титаном 0,35–0,45 мм.
• Режим. Высокая скорость уменьшает интерметаллидный слой, потому что ванна быстрее застывает, а избыток мощности наоборот утолщает его.
• Прослойка или присадка. Фольга или проволока между металлами не пускает их в прямой контакт.

Что известно по парам

Из таблицы видно, как действуют рычаги. Молибденовая вставка подняла нагрузку разрушения на пару титан с нержавейкой с 859 до 1130 Н, то есть на 31 %. У пары с медью из-за её высокой отражательной способности луч сдвинули на 0,1 мм в сторону стали, а проволоки на основе никеля и никеля с медью дали шов без дефектов.

Расчёт: окно режима для алюминия с медью

В опыте на алюминии 1060 и меди Т2 толщиной по 2 мм мощность менялась от 3,6 до 4,0 кВт, скорость от 0,9 до 1,5 м/мин. Посчитаем погонную энергию по краям окна и в оптимуме.

1. Минимум. 3600 Вт / 25 мм/с = 144 Дж/мм (1,5 м/мин равны 25 мм/с).
2. Оптимум. 3800 Вт / 20 мм/с = 190 Дж/мм (1,2 м/мин равны 20 мм/с).
3. Максимум. 4000 Вт / 15 мм/с = 267 Дж/мм (0,9 м/мин равны 15 мм/с).

Авторы пишут, что при избытке мощности появляются поперечные трещины, при слишком малой скорости поры, а при 3,8 кВт и 1,2 м/мин получился тонкий и равномерный интерметаллидный слой и лучший результат. Окно по погонной энергии получилось от 144 до 267 Дж/мм, а оптимум лежит ближе к середине. Для другой толщины его придётся искать заново пробными швами.

Коррозия на границе

Разнородный шов остаётся гальванической парой. По таблице потенциалов в Wikipedia нержавейка 18 % хрома стоит около −0,50 В, медь около −0,35 В, алюминиевые сплавы от −0,90 до −0,95 В. Разность для пары нержавейка и медь 0,15 В, для нержавейки и алюминия 0,40–0,45 В, для меди и алюминия 0,55–0,60 В. Для агрессивной и уличной среды в той же статье приводят допуск не более 0,15 В, для обычных помещений 0,25 В, для условий с контролем температуры и влажности 0,50 В. Значит, пара алюминий с медью не проходит даже самый мягкий порог, и шов защищают герметизацией и покрытием.

Из этой же логики следует правило про площадь: если покрыта только анодная часть, при царапине образуется большая катодная площадь и маленькая анодная, и разрушение идёт быстро. Покрывают благородный металл или обе стороны.

Когда разнородную сварку лучше не делать

Если пара даёт хрупкий интерметаллид, а работа идёт на удар или вибрацию, надёжнее механическое соединение: заклёпка, болт, прессовая посадка. Для стали с алюминием в обзоре лучший результат нахлёстки без прослойки составил 130 МПа, и это опытный режим, а не серийная технология. Сталь с нержавейкой ведёт себя иначе: у обоих металлов железная основа, и такого слоя интерметаллидов там нет. Для общего знакомства с отличиями лазера от дуги есть статья виды сварки металлов.