ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

АННОТАЦИЯ

Алюминиевые сплавы и алюминиевые матричные композиты (АМК) -  два очень важных легких металла, которые в настоящее время используются во многих областях, таких как автомобилестроение, строительные конструкции, электроника и аэрокосмическая промышленность, благодаря их хорошей формуемости и малому весу. Таким образом, проблем с соединением сплава алюминия и АМК не избежать [1-3]. В настоящее время существует много исследований по сварке АМК, усиленных SiC, Al₂O₃ и B₄C, но мало информации об импульсной лазерной сварке АМК, армированного TiB₂, частицы которого, в свою очередь, оказывают большое влияние на текучесть ванны расплавленного металла [4-6]. Это исследование предназначено для изучения лазерной сварки Nd-YAG разнородных соединений Al / AMК с частицами TiB₂.

Одной из причин снижения прочности сварного соединения, выполненного лазерной сваркой, принято считать выгорание легкоиспаряющихся элементов, таких как магний, литий, цинк. Для минимизации такого неблагоприятного процесса применяют либо оптимизацию режимов сварки, либо присадку. Наличие дефектов в сварных швах, наиболее характерным из которых при сварке плавлением алюминиевых и алюминий-литиевых сплавов является пористость, также может значительно снизить механические свойства. Высокие скорости охлаждения при лазерной сварке приводят к неравновесным условиям кристаллизации, при которых возможно образование микро-рыхлот, расположенных по границам зерен [7]. Для предотвращения образования подобных дефектов рекомендуются режимы лазерной сварки, позволяющие производить наименьшее термическое воздействие на основной материал, тщательную подготовку поверхности под сварку, а также присадочные материалы, повышающие качество формирования сварного шва и улучшающие механические свойства сварных соединений.

Эксперимент. АМК были получены с использованием аутогенного метода. В ходе реакции соли K₂TiF₆ и KBF₄ добавляли в надлежащих соотношениях Ti:B к расплавленной жидкости алюминиевого сплава ZL101 при 850°C, перемешивали в течение 30 минут с регулярными интервалами и отливали в литейную форму при 750°С. Формула экзотермической реакции между смешанной солью и металлом выглядит следующим образом:

3K₂TiF₆ + 6KBF₄ + 10Al = 3TiB₂ + (9KALF₄ + K₃ALF₆)

Размер образцов для испытаний 100 мм × 50 мм × 1 мм, с чистотой частиц TiB₂ 99,9%. Химический состав Алюминия 6061 и AMК приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав

Использовался Nd-YAG - импульсный лазерный источник (WF-300). Перед сваркой оксидная пленка на поверхности образца была удалена, а затем очищена с помощью ацетона. После сварки металлургический образец подготавливали и травили раствором фтороводорода. Микроструктуры наблюдали с использованием оптического микроскопа Olympus GX51 и сканирующей электронной микроскопии Zeiss EVO 18. Химический состав анализировали и идентифицировали с использованием энергодисперсионной спектрометрии и рентгеновской дифракции Bruker. APEX II DUO. Образцы обрабатывали металлографической полировкой, затем промывали дистиллированной водой, спиртом и, наконец, сушили перед экспериментом на теплом воздухе. Поляризация начиналась с катодного потенциала -250 мВ относительно потенциала разомкнутой цепи и прекращалась при анодном потенциале, где анодный ток значительно увеличивался. Скорость сканирования составляла 1 мВ/с.

Результаты. Образцы сваривали внахлест с использованием лазерной сварки Nd-YAG. Принципиальная схема процесса показана на рисунке 1. В процессе сварки использовался ортогональный тест. В этом эксперименте были выбраны различные параметры мощности (P), частоты лазера (f) и скорости (V). Параметры приведены в таблице 2. Сварочная проницаемость и ширина сварного шва каждого сварного соединения проверяются с использованием оптического микроскопа. Результаты представлены в таблице 3.

Рисунок 1. Схема процесса лазерной сварки

Таблица 2

Параметры ортогонального теста

Оценка каждого сварного соединения была рассчитана в соответствии с четырьмя аспектами проникновения сварного шва, ширины сварного шва, равномерности и однородности сварного шва и дефектов сварного шва. Оценка каждого аспекта в общей сложности составила 40 баллов. Последствия ортогонального теста показаны в Таблице 4. В результате анализа результатов и дальности, разница мощности лазера достигает 1,67; диапазон частот лазера составляет 1,51; диапазон скоростей 1,33.

Таблица 3

Результаты проникновения и ширины сварки (мкм)

Таблица 4

Результаты ортогонального теста

Вывод. Мощность лазера оказывает наиболее существенное влияние на формирование сварного шва, за ним следуют частота лазера и скорость сварки. Согласно предыдущим экспериментальным результатам, оптимальными выбранными параметрами процесса являются мощность лазера = 6 кВт, частота лазера = 4,5 Гц, скорость сварки = 0,6 мм/с, защита потока газообразного аргона 15 л/мин, расфокусировка лазера = 0 и ширина лазерного импульса составляет 11,5 мс.

Список литературы:

1. T. M. Yue, J. H. Xu, and H. C. Man, “Pulsed Nd-YAG laser welding of A SiC particulate reinforced aluminium alloy composite,” Applied Composite Materials, vol. 4, no. 1, pp. 53–64, 1997.
2. L. M. Liu, M. L. Zhu, and J. T. Niu, “Study on behavior of reinforcement in molten pool for submicron composite Al2O3/6061Al during laser welding,” China Welding, vol. 10, pp. 99–103, 2001.
3. J. T. Niu, L. M. Liu, and Y. H. Tian, “Pulsed laser welding of SiCw/6061Al matrix compositions,” Applied Lasers, vol. 19, pp. 1–3, 1999.
4. C. Meng, H. C. Cui, F. G. Lu, and X. H. Tang, “Evolution behavior of TiB2 particles during laser welding on aluminum metal matrix composites reinforced with particles,” Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 23, pp. 1–6, 2013.
5. J. Dai, Z. Liu, L. Yang, Y. Wang, C. Y. Zhou, and Y. C. Zhang, “Research on pulsed laser welding of TiB2-enhanced aluminum matrix composites,” International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 85, no. 1–4, pp. 157–162, 2016.
6. H. C. Cui, F. G. Lu, X. H. Tang, and S. Yao, “Laser welding of in-situ particulate reinforced aluminum matrix composites,” Transactions of the China Welding Institution, vol. 31, pp. 68–72, 2010.
7. Каблов Е.Н., Лукин В.И., Антипов В.В., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д., Скупов А.А. Эффективность применения присадочных материалов при лазерной сварке высокопрочных алюминий-литиевых сплавов // Сварочное производство. 2016. №10. C. 17–21.