ГОСТ EN 1011-6-2017. Межгосударственный стандарт. Сварка. Рекомендации по сварке металлических материалов. Часть 6. Лазерная сварка

Приложение C

(справочное)

 

СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

C.1 Общие положения

 

Большая часть металлических материалов и сплавов может успешно подвергаться сварке. Качество сварки и полученные свойства регулируются сварочной процедурой. Кроме того, существует условие, требующее, чтобы лазерная энергия поглощалась обрабатываемой деталью.

В металлургии, в частности для материалов групп 1 - 7, указанных в CR ISO/TR 15608, имеет значение изменение следующих факторов:

- позиция фокуса в пределах обрабатываемой детали и результирующая плотность энергии;

- мощность лазера и скорость сварки, а также результирующая погонная энергия Q;

Примечание - Можно управлять погонной энергией Q таким образом, чтобы основной материал не подвергался термическому влиянию в значительной степени и не образовывались классические зоны термического влияния (ЗТВ). Возникающие высокие скорости охлаждения могут привести к повышенным значениям твердости в металле шва.

 

- и предварительная, и последующая термическая обработка может быть проведена как лазерным лучом, так и обычными методами;

- применение присадочных материалов.

 

C.2 Стали и железные сплавы

 

C.2.1 Общие положения

Большинство сталей, подвергаемых сварке с использованием обычных способов сварки плавлением, могут успешно свариваться с использованием лазерного процесса. Кроме того, благодаря образованию достаточно узкой зоны сварочных напряжений и низкого уровня водорода многие стали, которые обычно считаются трудными или непригодными для сварки плавлением, могут подвергаться сварке с помощью лазерного луча без необходимости использования специальных сварочных материалов или подогрева. Важно, чтобы стали для лазерной сварки обладали низкими уровнями вредных примесей, таких как сера и фосфор, во избежание образования кристаллизационных трещин и чтобы материалы были достаточно хорошо раскислены, то есть дегазированы или подвергнуты алюминиевой обработке, для того чтобы свести к минимуму риск образования пористости сварных швов. Фактические возможности сварки зависят от толщины материала и сварочного процесса.

В отличие от швов, выполненных традиционной дуговой сваркой, лазерные швы могут содержать мелкие кристаллизационные трещиноподобные дефекты. Обычные критерии для лазерных сварных швов (см. EN ISO 13919-1) не допускают кристаллизационных трещин. Исследования внесли значительный вклад в понимание влияния состава сталей и параметров сварки на возникновение кристаллизационных дефектов. Используя эти знания и технику, можно избежать образования кристаллизационных трещин путем совместного контроля состава стали и параметров сварки. Примеры приведены в таблице C.1.

 

Таблица C.1

 

Минимальное соотношение марганец/сера

 

Содержание C	От 0,06 до 0,11	От 0,11 до 0,15	От 0,15 до 0,18
Отношение Mn/S	> 22	> 40	> 60

 

Существует зависимость от толщины материала и геометрии сварного соединения.

Дефекты в виде небольших кристаллизационных трещин не могут оказывать неблагоприятного влияния на свойства сварного шва, и определенное количество кристаллизационных трещин может быть допустимо для высокопроизводительной сварки конструкций некритического назначения.

C.2.2 C-Mn стали и конструкционные стали

C-Mn стали и конструкционные стали могут свариваться в один проход при толщине в диапазоне от менее 1 мм до 25 мм и более, и при условии контроля химического состава может стабильно достигаться хорошее качество сварного шва.

Короткий термический цикл, связанный с лазерным процессом при сварке стали, обычно дает швы с повышенным пределом прочности и твердости. Иногда необходимо добавить материал для улучшения состава металла шва или выполнить послесварочную термообработку, если требуется высокий уровень трещиностойкости или снижение твердости. Содержание углерода должно быть ограничено до C <= 0,17%.

Во избежание чрезмерной твердости может потребоваться более низкое содержание углерода или более высокое тепловложение.

C.2.3 Легированные стали

Во многих конструкциях, включая авиационные двигатели и части автомобильных трансмиссий, применяется лазерная сварка элементов из высокопрочных легированных сталей, которые часто монтируются непосредственно после сварки. Например, NiCrMo стали и высоколегированные теплоустойчивые стали могут свариваться без предварительного подогрева. Также предпочтительны низкий уровень содержания примесей и углерода, особенно если имеют значение свойства вязкости.

C.2.4 Коррозионностойкие стали

Наиболее распространенные типы коррозионностойкой стали легко подвергаются сварке с использованием лазерного процесса, в том числе аустенитные, ферритные, дуплексные и дисперсионно-твердеющие мартенситные коррозионностойкие стали. Дуплексные и аустенитные материалы обычно легируются азотом, и для них должны быть использованы сварочные процессы, которые минимизируют риск образования пористости, связанной с дегазацией азота, и которые компенсируют вредный эффект, который оказывают потери азота на фазовое равновесие и стабильность.

Сварка коррозионностойких дуплексных сталей требует специальных мер предосторожности в целях обеспечения контроля образующейся микроструктуры. Общие меры предосторожности заключаются в использовании соответствующего присадочного металла или содержащего азот защитного газа.

Классы дисперсионно-твердеющих сталей при лазерной сварке показывают небольшое ухудшение прочности на разрыв, которая в случае необходимости может быть восстановлена путем операции послесварочного старения.

C.2.5 Чугуны

Чугуны, как правило, считаются непригодными для лазерной сварки преимущественно по металлургическим соображениям. За исключением ковкого чугуна и чугуна с шаровидным графитом, лазерная сварка в качестве процесса соединения чугунных деталей не рекомендуется.

C.2.6 Низкоуглеродистая сталь

Низкоуглеродистая сталь и кремнистое железо, используемые в производстве трансформаторов и электрических двигателей, успешно подвергаются лазерной сварке в различных промышленных условиях.

 

C.3 Никелевые сплавы

 

Многие из популярных никелевых сплавов, используемых в сварочном производстве, могут удовлетворительно соединяться с применением лазерного сварочного процесса. Чистый никель, никелемедные и многие железо-никелевые сплавы без труда подвергаются сварке.

Для сложных жаропрочных сплавов, обладающих высоким сопротивлением ползучести при высокой температуре, часто используется лазерная сварка, которую предпочитают дуговой сварке благодаря минимальным металлургическим повреждениям и низким тепловым деформациям, вызываемым лазерным процессом. Однако следует соблюдать осторожность во избежание ликвации в зоне термического влияния во время сварки и образования трещин во время послесварочной термообработки наиболее сложных жаропрочных сплавов.

 

C.4 Алюминиевые и магниевые сплавы

 

Сварка большинства доступных деформируемых алюминиевых сплавов может удовлетворительно выполняться с использованием лазерного процесса. Может иметь место снижение механических свойств в зоне сварного шва по сравнению со свойствами основного металла.

Испарение летучих элементов в процессе сварки, в частности в сериях алюминиевых сплавов 7 000 и 5 000, может привести к потере содержания легирующих элементов и последующему ухудшению свойств. Очистка до сварки особенно важна.

Многие из литейных сплавов могут также подвергаться лазерной сварке, хотя качество сварного шва в значительной степени зависит от качества литья и от содержания остаточных газов.

Большинство магниевых сплавов может подвергаться лазерной сварке с удовлетворительным результатом.

 

C.5 Медь и ее сплавы

 

Лазерная сварка чистой меди в тонких сечениях может осуществляться без операции предварительного подогрева. Однако так называемая чистая медь может содержать примеси, такие как кислород, сера и углерод, которые могут ухудшить ее свариваемость, поэтому предпочтительна бескислородная медь, обладающая высокой электрической и тепловой проводимостями, и классы меди, не содержащие фосфор.

Большинство медных сплавов могут подвергаться сварке, но сварка литых материалов может оказаться проблематичной, если качество исходного материала является низким, а остаточное содержание газа высоко. Некоторые высокопрочные материалы, например легированные цирконием, могут иметь проблемы, связанные с образованием трещин, если не принять необходимые меры.

 

C.6 Тугоплавкие и химически активные металлы

 

Вольфрам, молибден и их сплавы могут подвергаться лазерной сварке, однако следует учитывать низкую пластичность сварных соединений. Необходимо использовать защитные газы.

Аналогично тантал, ниобий, ванадий и их сплавы могут успешно подвергаться лазерной сварке, но уровень примесей влияет на качество и свойства сварного шва.

Высокая плотность мощности лазерного луча и наличие возможности выполнять работы в вакууме позволяют использовать этот процесс для соединения металлов, не только тех которые обладают высокой температурой плавления, но и тех, которые являются чрезвычайно химически активными в горячем или расплавленном виде. Аналогично циркониевые сплавы, являющиеся чрезвычайно химически активными, можно без труда подвергать сварочным операциям в условиях вакуума.

 

C.7 Титан и его сплавы

 

Титан и многие его сплавы можно успешно подвергать лазерной сварке без опасности окисления, водородного охрупчивания и последующего ухудшения пластичности, которое трудно обнаружить. Необходима хорошая газовая защита. По этой причине лазерный процесс широко используется в производстве авиационных двигателей для сварки частей из титановых сплавов, обладающих критическими с точки зрения безопасности свойствами.

 

C.8 Разнородные металлы

 

Одним из особых преимуществ, предлагаемых лазерным процессом, является то, что интенсивность лазерного пучка такова, что разнородные металлы с самой различной теплопроводностью и температурой плавления могут подвергаться успешной сварке без избирательного переплава материала с более низкой температурой плавления. Хотя и не все комбинации возможны в связи с металлургической несовместимостью и образованием нежелательных интерметаллических соединений, тем не менее возможны многие комбинации разнородных материалов. Во время сварки разнородных металлов происходит генерация термоэлектрических токов (за счет эффекта термопары). Там, где комбинация материалов приводит к охрупчиванию, часто имеется возможность ввести взаимно совместимый переходный материал или применить диффузионную пайку лазерным лучом с использованием соответствующего промежуточного слоя.

 

C.9 Неметаллы

 

Некоторые неметаллические материалы (особенно термопластичные полимеры) могут подвергаться лазерной сварке.