Влияние особенностей плазменной узкоструйной резки на качество сварного шва при лазерной сварке титановых сплавов

Исследованы особенности формирования структуры и свойств неразъемных соединений при лазерной сварке титановых сплавов типа ВТ1-0/ВТ1-0, полученных после резки новым узкоструйным плазмотроном типа ПМВР-5.3, имеющим ряд конструктивных особенностей в системе газодинамической стабилизации (ГДС) плазменной дуги. Достигнутое преимущество в эффективности ГДС способствует повышению степени прецизионности и качества реза и, как следствие, увеличению коэффициента поглощения излучения, коэффициента проплавления и эффективности лазерной сварки. По результатам исследований показано, что при получении углекислотным лазером сварных соединений типа ВТ1-0/ВТ1-0 происходит формирование узкого шва со структурой, соответствующей литому состоянию сплава, и участков с крупными равноосными зернами в центральной части шва, уменьшающимися по размерам в донной части по сравнению с расположенными в поверхностной области. Защита сплава от газонасыщения в структуре сварного шва не позволяет избежать формирования мелких микропор в структуре сварного шва, однако их количество незначительно и они не создают критических скоплений в микрообъемах шва и не влияют на прочностные характеристики неразъемного соединения, при этом средние значения микротвердости материала шва выше, чем материала основы. В результате испытаний на статическое растяжение, а также определения значения микротвердости установлено, что материал сварного шва является достаточно прочным и существенно превышает прочность самого титанового сплава, а рельеф поверхности разрушения образцов соответствует вязкому разрушению. При циклических испытаниях образцов сварных соединений разрушение происходило не по шву, а по основному металлу с ростом доли зон долома в сечении образцов при увеличении значений максимального напряжения цикла. По результатам исследований можно сделать вывод о применимости технологий прецизионной узкоструйной воздушно-плазменной резки и сварки углекислотным лазером непрерывного действия для реализации процесса получения сварных соединений ВТ1-0/ВТ1-0 с высокой степенью эффективности и прочности на уровне соединяемых материалов.

1. Александров А.В., Леднов С.В., Давыдкина Е.А. Состояние дел в титановой отрасли и перспективы развития. Технология легких сплавов. 2021;(2):76—81. https://doi.org/10.24412/0321-4664-2021-2-76-81

2. Kishawy H.A., Hosseini A. Machining difficult-tocut materials. Chapter: Titanium and titanium alloys. Springer: Ser. Materials forming, machining and tribology, 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-319-95966-5_3

3. Бубнов В.А., Князев А.Н. Титан и его сплавы в машиностроении. Вестник Курганского государственного университета. 2016;(3):92—96.

4. Пульцин Н.M. Взаимодействие титана с газами. М.: Металлургия, 1969. 213 с.

5. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.: Наука, 1994. 304 с.

6. Germain L., Gey N., Humbert M., Vo P., Jahazi M., Bocher Ph. Texture heterogeneities induced by subtransus processing of near α titanium alloys. Acta Materialia. 2008;56(15):4298—4308.

7. Groche P., Wohletz S., Brenneis M., Pabst P., Resch F. Joining by forming — A review on joint mechanisms, applications and future trends. Journal of Materials Processing Technology. 2014;212(10):1972—1994.

8. Патон Б.Е., Шелягин В.Д., Ахонин С.В., Топольский В.Ф., Хаскин В.Ю., Петриченко И.К., Бернацкий А.В., Мищенко Р.Н., Сиора А.В. Лазерная сварка титановых сплавов. Автоматическая сварка. 2009;(10):35—39.

9. Sokolov M., Salminen A. Improving laser beam welding efficiency. Engineering. 2014;6(09):559—571. https://doi.org/10.4236/ENG.2014.69057

10. Akman E., Demir A., Canel T., Sınmazçelik T. Laser welding of Ti6Al4V titanium alloys. Journal of Materials Processing Technology. 2009;209(8):3705—3713. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.08.026

11. Zhang Y., Sun D., Gu X., Li H. A hybrid joint based on two kinds of bonding mechanisms for titanium. Materials Letters. 2016;15(185):152—155.

12. Riccardi G., Cantello M. Laser material interactions: Absorption coefficient in welding and surface treatment. CIRP Annals — Manufacturing Technology. 1994;1: 171—175. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.03.025

13. Sokolov M., Salminen A. Experimental investigation of the influence of edge morphology in high power fiber laser welding. Physics Procedia. 2012;39:33—42. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.10.0115

14. Covelli L., Jovane F., De Lori L., Tagliaferri V. Laser welding of stainless steel: Influence of the edges morphology. CIRP Annals — Manufacturing Technology. 1988;37:545—548.

15. Sokolov M., Salminen A., Somonov V., Kaplan A.F. Laser welding of structural steels: Influence of the edge roughness level. Optics & Laser Technology. 2012;44(7):2064—2071.

16. Пыкин Ю.A., Анахов С.В., Матушкин А.В. Плазмотрон: Патент 2754817 (РФ). 2021.

17. Анахов С.В., Гузанов Б.Н., Матушкин А.В., Мичуров Н.С. О соблюдении регламентных норм на качество резки при производстве сварных соединений. Компетентность. 2024;(5):56—62. https://doi.org/10.24412/1993-8780-2024-5-56-62

18. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС—МАТИ, 2009. 520 с.

19. Илларионов А.Г., Попов А.А. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2014. 137 с.

20. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Лимарь Л.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций. Учеб. пос. для вузов. М.: МИСИС, 2007. 264 с.

21. Gnusov S.F., Klimenov V.A., Alkhimov Yu.V., Budnitsky A.D., Orishich A.M., Cherepanov A.N., Afonin Yu.V. Formation of the structure of titanium and corrosionresistant steel during laser welding. Welding International. 2012;(1):17—22.

22. Иванов М.Б., Колобов Ю.Р., Манохин С.С., Голосов Е.В. Исследование структурно-фазового состояния медицинских титановых сплавов современными методами аналитической электронной микроскопии. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012;78(1):43—54.

23. Полькин И.С., Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В. Легирование, фазовый состав и механические свойства титановых сплавов. Технология легких сплавов. 2022;(2):4—13. https://doi.org/10.24412/0321-4664-2022-2-4-13

24. Alkhimov Yu.V., Gnyusov S.F., Kapranov B.I., Klimenov V.A., Orishich A.M. Investigation of laser-welded titanium and stainless steel specimens using digital radiography methods. Russian Journal of Nondestructive Testing. 2012;48(4):238—244. https://doi.org/10.1134/S106183091204002X