RU2404887C1 - Method of welding materials - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the method of welding materials by high-power radiation sources, e.g. laser, plasma or electron beam, and can be used for welding thin-sheet and diverse materials in various industries. Prior to welding, material edges to be welded are pre-melted. Welding is performed with simultaneous addition of modifiers into melting zone, said modifiers being made up of nanopowders selected from refractory compounds, e.g. nitrides, carbonitrides and oxides. Concentration of nanopowders material makes less than 0.1% by weight of welding bath. Said nanopowders can represent suspensions.

EFFECT: welding of homogeneous and composite materials, higher quality of welded seams.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области сварки материалов высокоэнергетическими источниками излучения, например лазерным, плазменным, или электроннолучевым методом, и может быть использовано для лазерной сварки изделий различного назначения из тонколистовых материалов в химической, электронной и радиотехнической промышленности, а также при производстве труб. Может использоваться для непосредственного соединения двух однородных или разнородных металлов или сплавов между собой.The invention relates to the field of welding materials with high-energy radiation sources, for example, laser, plasma, or electron beam method, and can be used for laser welding of products for various purposes from sheet materials in the chemical, electronic and radio engineering industries, as well as in the production of pipes. It can be used to directly connect two homogeneous or dissimilar metals or alloys to each other.

Техническая задача сварки металлов состоит в повышении качества сварного соединения и увеличении производительности. Для достижения этих результатов используют, например присадочные материалы или промежуточные вставки, обеспечивающие те или иные свойства сварному шву. Успешному решению этой проблемы может способствовать развитие новых технологий, связанных с воздействием, направленным на формирование внутренней структуры материалов и свойств сварных соединений.The technical task of welding metals is to improve the quality of the welded joint and increase productivity. To achieve these results use, for example, filler materials or intermediate inserts that provide certain properties of the weld. The development of new technologies related to the impact aimed at forming the internal structure of materials and the properties of welded joints can contribute to a successful solution to this problem.

Известен способ лазерной сварки металлов с высокой теплопроводностью и высокой отражающей способностью, в котором на поверхность свариваемого металла со стороны лазерного луча наносят предварительно слой присадочного материала с меньшей отражающей способностью и с более высокой температурой плавления /1/.A known method of laser welding of metals with high thermal conductivity and high reflectivity, in which the surface of the metal being welded from the side of the laser beam is preliminarily coated with a layer of filler material with lower reflectivity and with a higher melting point / 1 /.

Основной недостаток способа заключается в нерегламентированных размерах слоя присадочного материала, в результате чего при некоторых режимах сварки его эффективность невелика и может иметь место снижение коэффициента полезного действия (КПД) сварки и появление дефектов в сварном шве.The main disadvantage of this method is the unregulated size of the filler material layer, as a result of which, in some welding modes, its efficiency is small and there may be a decrease in the welding efficiency (COP) and the appearance of defects in the weld.

Известен способ сварки нержавеющей стали (Х15Н5Д2Т) с титановым сплавом ОТ4 с применением промежуточной вставки, в качестве которой используется ванадиевый сплав, легированный вольфрамом /В кн.: Лекции по сварке разнородных разноименных металлов. М.: МДНТП, 1973. С 46-51/.A known method of welding stainless steel (X15H5D2T) with a titanium alloy OT4 using an intermediate insert, which is used as a vanadium alloy doped with tungsten / In the book: Lectures on welding dissimilar dissimilar metals. M .: MDNTP, 1973. P 46-51 /.

Недостатком метода является необходимость управлять составом металла шва и применять технику сварки, надежно обеспечивающую получение сварных соединений заданного химического состава, т.к. механические свойства таких соединений определяются соотношением легирующих элементов в металле шва.The disadvantage of this method is the need to control the composition of the weld metal and apply a welding technique that reliably provides welds of a given chemical composition, because The mechanical properties of such compounds are determined by the ratio of alloying elements in the weld metal.

Задачей предлагаемого способа сварки материалов является повышение качества сварных швов и высокопрочных поверхностных слоев. При выполнении поставленной задачи должны быть учтены все требования, такие как локальный характер теплового воздействия, минимальная термическая деформация, широкий диапазон регулирования энергетических характеристик луча, обеспечивающих жесткий термический режим с высокими скоростями нагрева и охлаждения.The objective of the proposed method of welding materials is to improve the quality of welds and high-strength surface layers. When fulfilling the task, all requirements must be taken into account, such as the local nature of the thermal effect, minimal thermal deformation, a wide range of regulation of the energy characteristics of the beam, providing a rigid thermal regime with high heating and cooling rates.

Перспективным направлением развития высокоэнергетических технологий сварки материалов, например лазерной, является совмещение высокоэнергетического воздействия на свариваемые материалы с насыщением их поверхностного слоя легирующими и модифицирующими добавками и создание упрочненного модифицированного слоя с помощью введения в зону сварки, например, тугоплавких наноразмерных частиц порошка. Такие модифицирующие добавки в металлургии называют нанопорошковые иннокуляторы (НПИ).A promising direction in the development of high-energy technologies for welding materials, for example, laser, is the combination of high-energy effects on the materials being welded with the saturation of their surface layer with alloying and modifying additives and the creation of a hardened modified layer by introducing, for example, refractory nanosized powder particles into the welding zone. Such modifying additives in metallurgy are called nanopowder innoculators (NPI).

Поставленная задача выполняется благодаря тому, что способ сварки материалов высокоэнергетическими источниками излучения, например лазерным, плазменным или электроннолучевым, по которому перед сваркой осуществляют предварительное проплавление свариваемой зоны материалов, а сварку ведут с одновременным добавлением в зону плавления модификаторов в виде нанопорошковых материалов, выбранных из числа тугоплавких соединений, например нитридов, карбонитридов, оксидов, при этом концентрация нанопорошкового материала составляет менее 0,1% по массе сварочной ванны. Нанопорошковые материалы в зону сварки могут быть нанесены в виде суспензии. Способ позволяет осуществлять сварку однородных материалов или разнородных материалов со вставками или без них, а также композиционных материалов со вставками или без них.The task is carried out due to the fact that the method of welding materials with high-energy radiation sources, such as laser, plasma or electron beam, by which prior to welding, preliminary melting of the materials to be welded is carried out, and welding is carried out with the addition of modifiers in the form of nanopowder materials selected from among refractory compounds, for example nitrides, carbonitrides, oxides, while the concentration of nanopowder material is less than 0.1% by weight of the weld pool. Nanopowder materials in the welding zone can be applied in the form of a suspension. The method allows welding of homogeneous materials or dissimilar materials with or without inserts, as well as composite materials with or without inserts.

Совокупность существенных отличительных признаков не выявлена из существующего уровня техники, позволяет решить поставленную задачу, а также сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".The set of essential distinguishing features not identified from the existing level of technology, allows us to solve the problem, as well as to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг.1 изображена микроструктура сварного шва стали марки Ст 20: а) без добавления нанопорошковых материалов; б) с добавлением нанопорошковых материалов TiN+Y₂O₃. На фиг.2 - механические характеристики сварного соединения сплава ВТ5 без добавок НПИ и с добавлением НПИ тугоплавких соединений: а) относительное удлинение δ; б) предел прочности σ_b и в) предел текучести σ_0,2.Figure 1 shows the microstructure of a weld of steel grade St 20: a) without the addition of nanopowder materials; b) with the addition of nanopowder materials TiN + Y ₂ O ₃ . Figure 2 - mechanical characteristics of the welded joint of VT5 alloy without additives NPI and with the addition of NPI refractory joints: a) elongation δ; b) tensile strength σ _b and c) yield strength σ _0.2 .

Способ сварки материалов осуществляется следующим образом.The method of welding materials is as follows.

Рассмотрим способ лазерной сварки. Вначале подготавливают свариваемые поверхности. При подготовке свариваемых пластин удаляют пленку оксидов на ширине 20-25 мм по всей длине соединения травлением в растворе NaOH (50 г на 1 л Н₂О) с последующим осветлением в 30% растворе HNO₃. После травления детали промывают в горячей воде. Непосредственно перед сваркой соединяемые поверхности зачищают шабером до блеска. Это позволит избежать дефектов при сварке и в первую очередь пористости. В качестве защитной среды при лазерной сварке используют гелий как наиболее эффективный для достижения наибольшего эффекта проплавления либо гелий используют для защиты верхней поверхности сварочной ванны, а нижнюю - защищают аргоном. При этом защита обеих поверхностей при лазерной сварке алюминиевых и титановых сплавов обязательна. Расход гелия не менее 7-8 л/мин, аргона - 5-6 л/мин.Consider a laser welding method. First, weld surfaces are prepared. In the preparation of welded plates, a film of oxides is removed over a width of 20-25 mm along the entire length of the joint by etching in a NaOH solution (50 g per 1 L of H ₂ O), followed by clarification in a 30% HNO ₃ solution. After etching, parts are washed in hot water. Immediately before welding, the surfaces to be bonded are cleaned with a scraper to a shine. This will avoid welding defects and, first of all, porosity. As a protective medium for laser welding, helium is used as the most effective for achieving the greatest penetration effect, or helium is used to protect the upper surface of the weld pool, and the lower one is protected by argon. Moreover, the protection of both surfaces during laser welding of aluminum and titanium alloys is mandatory. Helium consumption is at least 7-8 l / min, argon - 5-6 l / min.

Массовый расход нанопорошкового материала на единицу длины обрабатываемой поверхности составляет M_p=pρdh, кг/м, где р - массовая доля порошка; d - ширина сварочного шва, h - толщина пластин, ρ - плотность жидкого металла.The mass flow rate of nanopowder material per unit length of the treated surface is M _p = pρdh, kg / m, where p is the mass fraction of powder; d is the width of the weld, h is the thickness of the plates, ρ is the density of the molten metal.

Пример 1Example 1

Рассмотрим сварку материала с параметрами: ρ=7800 кг/м³, d=0,004 м, h=0,0015 м, тогда M_p=p7800·0,004·0,0015=0,0468р. Значение величины р примем аналогично к процессу модифицирования сплавов нанопорошковыми материалами, равным 0,0005. В результате получим m_p=0,0468·0,0005=2,34·10^-5 кг/м=0,0234 г/м. Поскольку в процессе сварки возможно выгорание нанопорошкового материала, то значение этой величины может быть установлено экспериментально.Consider welding the material with the parameters: ρ = 7800 kg / m ³ , d = 0.004 m, h = 0.0015 m, then M _p = p7800 · 0.004 · 0.0015 = 0.0468 rub. We take the value of p similarly to the process of modifying alloys with nanopowder materials equal to 0.0005. As a result, we obtain m _p = 0.0468 · 0.0005 = 2.34 · 10 ^-5 kg / m = 0.0234 g / m. Since during the welding process it is possible to burn out nanopowder material, the value of this value can be established experimentally.

Пример 2Example 2

Были проведены экспериментальные исследования влияния тугоплавких механоактивированных нанопорошковых материалов на качество сварных соединений, формирующихся при воздействии на металл лазерного излучения. Обработку образцов из сплавов на основе алюминия, титана и железа проводили на непрерывном СО₂-лазере в атмосфере гелия. Скорость пермещения луча по обрабатываемой поверхности варьировалась в интервале (2-4) м/мин, мощность излучения - от 2 до 3,5 кВт. Специально подготовленные нанопорошковые материалы и их композиции в виде суспензии наносились на предварительно обработанные поверхности пластин в количестве менее 0,1% по массе сварочной ванны (проплавляемого металла) в расчете на тугоплавкие соединения. В качестве нанопорошковых материалов использовались различные порошковые композиции с наночастицами TiN, Y₂O₃, TiC, плакированные соответствующим металлом (хромом, никелем, титаном и др.).Experimental studies have been conducted of the effect of refractory mechanically activated nanopowder materials on the quality of welded joints formed when laser is exposed to a metal. Samples from alloys based on aluminum, titanium, and iron were processed on a continuous CO ₂ laser in a helium atmosphere. The speed of beam movement on the treated surface varied in the range of (2-4) m / min, and the radiation power ranged from 2 to 3.5 kW. Specially prepared nanopowder materials and their compositions in the form of a suspension were applied to the pre-processed surface of the plates in an amount of less than 0.1% by weight of the weld pool (melted metal) based on refractory compounds. As nanopowder materials, various powder compositions with TiN, Y ₂ O ₃ , TiC nanoparticles clad with the corresponding metal (chromium, nickel, titanium, etc.) were used.

На фиг.1 в качестве примера приведены фотографии шлифов сварного соединения стальных пластин, не содержащего нанопорошковые добавки и модифицированного нанопорошковым материалом TiC_xN_y+Ст3.Figure 1 shows, by way of example, photographs of thin sections of a welded joint of steel plates that do not contain nanopowder additives and are modified with nanopowder material TiC _x N _y + St3.

Видно, что применение модификатора из нанопорошкового материала изменило как морфологию сварного шва, так и микроструктуру соединения. Размеры кристаллов видманштеттова феррита в сварном шве без модификатора достигают 100÷150 мкм в длину, тогда как в шве с модифицированными добавками не превышают 30÷40 мкм.It can be seen that the use of a modifier made of nanopowder material changed both the morphology of the weld and the microstructure of the joint. The crystal sizes of Widmanstätt ferrite in a weld without a modifier reach 100 ÷ 150 μm in length, while in a weld with modified additives they do not exceed 30 ÷ 40 μm.

Следует отметить, что нанесение нанопорошковых материалов в зону сварки в виде суспензии значительно повышает коэффициент поглощения энергии излучения, что позволяет при той же мощности излучения в 1.5-2 раза увеличить скорость сварки детали.It should be noted that the deposition of nanopowder materials into the welding zone in the form of a suspension significantly increases the absorption coefficient of radiation energy, which makes it possible to increase the welding speed of a part by 1.5–2 times with the same radiation power.

Пример 3Example 3

Был выполнен цикл исследований влияния модификаторов в виде нанопорошковых материалов на качество сварного соединения титанового сплава ВТ5. В качестве нанопорошковых материалов использовались тугоплавкие соединения: нитрид титана (TiN), а также их смесь нитрида титана (TiN) с оксидом иттрия (Y₂O₃), плакированные хромом. Концентрация модифицирующей композиции, вводимой в сварочную ванну, составляла менее 0,1% по массе. Подготовленная композиция наносилась в виде суспензии на поверхность свариваемых пластин, толщина которых составляла 2 мм; мощность лазерного луча 2,0 кВт, а скорость сварки 2 м/мин. Было установлено, что применение модификаторов позволяет повысить скорость сварки при той же мощности луча за счет увеличения коэффициента поглощения интенсивности лазерного излучения. При этом повысилось качество соединения (морфология и структура шва), существенно возросли его механические характеристики (прочность на разрыв, предел текучести) как при использовании первой, так и второй модифицирующей добавки (см. фиг.2).A series of studies was carried out on the effect of modifiers in the form of nanopowder materials on the quality of the welded joint of VT5 titanium alloy. As nanopowder materials, refractory compounds were used: titanium nitride (TiN), as well as their mixture of titanium nitride (TiN) with yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ), plated with chromium. The concentration of the modifying composition introduced into the weld pool was less than 0.1% by weight. The prepared composition was applied in the form of a suspension on the surface of the welded plates, the thickness of which was 2 mm; the laser beam power is 2.0 kW, and the welding speed is 2 m / min. It was found that the use of modifiers allows to increase the welding speed at the same beam power by increasing the absorption coefficient of the laser radiation intensity. This increased the quality of the connection (morphology and structure of the seam), significantly increased its mechanical characteristics (tensile strength, yield strength) when using the first and second modifying additives (see figure 2).

Проведенные эксперименты показали положительное воздействие модификаторов в виде нанопорошковых материалов, выбранных из числа тугоплавких соединений, на макро- и микроструктуру металла и его механические свойства в зоне высокоэнергетического воздействия. Существенно увеличивается коэффициент поглощения, что позволяет в полтора-два раза повысить скорость обработки, уменьшилась зона термического влияния, возросли дисперсность кристаллической структуры и плотность сварного шва.The experiments showed a positive effect of modifiers in the form of nanopowder materials selected from among refractory compounds on the macro- and microstructure of the metal and its mechanical properties in the high-energy impact zone. The absorption coefficient increases significantly, which allows one and a half to two times to increase the processing speed, the zone of thermal influence has decreased, the dispersion of the crystal structure and the density of the weld have increased.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU №2133662, В23К 26/00, 1998 г.1. Patent RU No. 2133662, V23K 26/00, 1998

2. Кн.: Лекции по сварке разнородных разноименных металлов. М.: МДНТП, 1973, с.46-51 - прототип.2. Book: Lectures on welding dissimilar dissimilar metals. M .: MDNTP, 1973, p. 46-51 - prototype.

Claims (5)

1. Способ сварки материалов, включающий сварку материалов высокоэнергетическими источниками излучения, например лазерным, плазменным или электронно-лучевым, по которому перед сваркой осуществляют предварительное проплавление свариваемой зоны материалов, отличающийся тем, что сварку ведут с одновременным добавлением в зону сварки модификаторов в виде нанопорошковых материалов, выбранных из числа тугоплавких соединений, например нитридов, карбонитридов, оксидов, при этом концентрация нанопорошкового материала составляет менее 0,1% по массе сварочной ванны.1. A method of welding materials, including welding materials with high-energy radiation sources, such as laser, plasma or electron beam, by which prior to welding, a preliminary melting of the material to be welded is carried out, characterized in that the welding is carried out with the addition of modifiers in the form of nanopowder materials in the welding zone selected from among refractory compounds, for example nitrides, carbonitrides, oxides, while the concentration of nanopowder material is less than 0.1% by Asse weld pool. 2. Способ сварки материалов по п.1, отличающийся тем, что сварку материалов ведут в защитной среде гелия обеих поверхностей.2. The method of welding materials according to claim 1, characterized in that the welding of materials is carried out in a protective helium environment of both surfaces. 3. Способ сварки материалов по п.1, отличающийся тем, что нанопорошковые материалы в зону сварки наносят в виде суспензии.3. The method of welding materials according to claim 1, characterized in that the nanopowder materials are applied to the welding zone in the form of a suspension. 4. Способ сварки материалов по одному из п.1, 2, 3, отличающийся тем, что осуществляют сварку однородных материалов со вставками или без них.4. The method of welding materials according to one of claim 1, 2, 3, characterized in that the welding of homogeneous materials with or without inserts. 5. Способ сварки материалов по одному из пп.1, 2, 3, отличающийся тем, что осуществляют сварку разнородных материалов со вставками или без них. 5. The method of welding materials according to one of claims 1, 2, 3, characterized in that they carry out the welding of dissimilar materials with or without inserts.

Images