RU2681071C1 - Способ изготовления конструкций из защитных алюминиевых сплавов лазерной сваркой - Google Patents

Способ изготовления конструкций из защитных алюминиевых сплавов лазерной сваркой Download PDF

Info

Publication number
RU2681071C1
RU2681071C1 RU2017141600A RU2017141600A RU2681071C1 RU 2681071 C1 RU2681071 C1 RU 2681071C1 RU 2017141600 A RU2017141600 A RU 2017141600A RU 2017141600 A RU2017141600 A RU 2017141600A RU 2681071 C1 RU2681071 C1 RU 2681071C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coating
welding
aluminum alloys
volume
laser welding
Prior art date
Application number
RU2017141600A
Other languages
English (en)
Inventor
Игорь Николаевич Горностаев
Андрей Владимирович Бажанов
Сергей Тимофеевич Леонов
Владимир Валерьевич Степанов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" (АО "НИИ ТП")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" (АО "НИИ ТП") filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" (АО "НИИ ТП")
Priority to RU2017141600A priority Critical patent/RU2681071C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2681071C1 publication Critical patent/RU2681071C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/18Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using absorbing layers on the workpiece, e.g. for marking or protecting purposes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/21Bonding by welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/32Bonding taking account of the properties of the material involved
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K33/00Specially-profiled edge portions of workpieces for making soldering or welding connections; Filling the seams formed thereby

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу изготовления сварных конструкций из алюминиевых сплавов. Способ включает нанесение покрытия на соединяемые поверхности и последующую лазерную сварку. Покрытие состоит из порошка вольфрама, гадолиния и иттербия, смешанных в равных пропорциях. Толщину покрытия выбирают из условия, что объем нанесенного покрытия должен быть менее 15% от объема расплавленного металла сварочной ванны. После сварки также возможно нанесение на внутреннюю поверхность конструкции дополнительного радиозащитного покрытия W-AlOили Mo-AlO. Технический результат заключается в получении сварных конструкций из алюминиевых сплавов с сохранением радиозащитных свойств в зоне воздействия термического цикла. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления сварных конструкций из защитных алюминиевых сплавов.
Известен способ изготовления сварных конструкций из алюминиевых сплавов лазерной сваркой, включающий нанесение на все поверхности конструкции слоя никеля и последующую сварку (патент США №4760240).
Недостатком данного способа является необходимость применения дополнительной защиты от ионизирующего излучения при изготовлении корпусов приборов.
Известен способ сварки радиозащитного алюминиевого сплава 01439 методом сварки плавлением без присадочного материала и с использованием в качестве присадка проволоки св01557, свАМг3 или Аl - 7% РЗМ (Мироненко В.Н., Конкевич В.Ю., Федоров В.М., Евстифеев B.C., Редькина Н.П. «Проблемы металлургии свариваемых гранулируемых сплавов на основе алюминия и их сварки» / сб. статей «Металлургия гранул», вып. 2, ВИЛС, 1984 г., стр. 58-66), прототип.
Недостатком данного способа является невозможность обеспечения радиозащитных свойств конструкции в зонах, подвергавшихся воздействию термического цикла сварки (сварной шов и прилегающая околошовная зона).
Задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик сварных конструкций, снижение затрат на обеспечение защиты приборов от ионизирующего излучения.
Техническим результатом является получение сварных конструкций из защитных алюминиевых сплавов с сохранением радиозащитных свойств в зоне воздействия термического цикла.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления конструкции из радиозащитного алюминиевого сплава, включающем лазерную сварку соединяемых поверхностей заготовок, предварительно на соединяемые поверхности заготовок наносят покрытие из порошка, состоящего из вольфрама, гадолиния и иттербия, смешанных в равных пропорциях, и осуществляют их сварку, при этом толщину покрытия устанавливают из условия обеспечения объема нанесенного покрытия менее 15% от объема расплавленного металла сварочной ванны.
После сварки также возможно нанесение на внутреннюю поверхность конструкции дополнительного радиозащитного покрытия W-Al2O3 или Мо-Аl2O3.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется рисунками, представленными на фиг. 1.
На фиг. 1 показано сечение сварного соединения, выполняемого лазерной сваркой (по ГОСТ 28915-91):
а - до сварки,
б - после сварки.
В настоящее время для изготовления радиозащитных конструкций определенный интерес представляют радиозащитные алюминиевые сплавы типа 01439. Их преимущество заключается в низкой плотности, что позволяет снизить вес конструкции и одновременно обеспечить работоспособность прибора в условиях радиационного излучения. Основными легирующими элементами, обеспечивающими поглощение радиационного излучения данных сплавов, являются гадолиний и иттербий. Однако данные элементы имеют ограниченную растворимость в алюминии, поэтому для обеспечения требуемых защитных свойств полуфабрикаты получают из порошка, изготовленного методом высокоскоростного затвердевания расплава.
При изготовлении радиозащитных конструкций для размещения приборов на сегодняшний день наиболее широкое распространение получила лазерная сварка. Использование лазерной сварки при изготовлении корпусов позволяет минимизировать зону нагрева и обеспечить получение
качественных сварных соединений. Вместе с этим для надежной работы приборов требуется обеспечить их защиту от воздействия случайного внешнего излучения (например, ионизационного). Для этого в корпусах устанавливаются дополнительные вольфрамовые экраны или на поверхность конструкции наносится специальное радиозащитное покрытие. Использование современных радиозащитных алюминиевых сплавов типа 01439 для изготовления корпуса прибора позволило бы снизить массу конструкции за счет отсутствия необходимости применения вольфрамовых экранов и снизить себестоимость изготовления за счет исключения операции нанесения покрытий. Однако проведенные исследования показали, что применение радиозащитных алюминиевых сплавов типа 01439 в сварных конструкциях ограничивается из-за потери защитных свойств в шве и околошовной зоне. Это связано с тем, что при воздействии термического цикла сварки происходит выделение легирующих элементов, обеспечивающих поглощение излучения, на периферию зерен и, как следствие, их неравномерное распределение по объему из-за малого содержания в сплаве. Для устранения данного явления предлагается на соединяемые поверхности заготовок непосредственно перед сваркой наносить покрытие из порошка вольфрама, гадолиния и иттербия. Использование данного покрытия позволит увеличить объемную долю растворимых легирующих компонентов (гадолиния и иттербия) в сварном шве, что приведет к уменьшению незащищенных зон в металле шва. Кроме этого наличие на поверхности соединяемых заготовок покрытия с низкой отражающей способностью позволяет обеспечить большее поглощение лазерного излучения при сварке и увеличить глубину проплавления изделия. Использование порошка вольфрама, имеющего крайне ограниченную растворимость в алюминии до температуры 1200°С, позволяет замешивать его в сварочную ванну и за счет сил, действующих в газодинамическом канале при лазерной сварке, равномерно распределить его по всему объему сварного соединения.
Вместе с этим введение порошка гадолиния и иттербия в зону расплавленного металла может приводить к образованию интерметаллидных соединений типа Al3Gd, Al2Gd, Al3Yb, Al2Yb, которые обладают низкими пластическими свойствами и охрупчивают сварное соединение. Для уменьшения доли хрупких фаз в структуре металла предлагается ограничить объем покрытия относительно объема жидкой фазы. Опытным путем было установлено, что для обеспечения оптимальных механических свойств соединений необходимо, чтобы объем покрытия был менее 15% от объема сварочной ванны. При этом объем сварной ванны оценивают теоретически на основании рекомендованных формул для определенного типа сварных соединений.
В ряде случаев для обеспечения защиты конструкции от более мощного ионизирующего излучения после сварки может быть применено дополнительное радиозащитное покрытие W-Al2O3 или Mo-Al2O3 требуемой толщины. Использование данного покрытия позволит увеличить поглощающую способность конструкции при небольшом увеличении весовых характеристик.
Пример.
Для получения радиозащитного корпуса прибора из сплава 01439 были изготовлены полый корпус размерами 140×80 мм и толщиной стенки D=1,5 мм, а также крышка из листа толщиной S=0,7 мм.
Для изготовления конструкции по ГОСТ 28915-91 был выбран тип соединения У2 (фиг. 1) и проведен расчет площади сечения шва по формуле:
Fp=S⋅b+0,75⋅dc⋅S,
где S - толщина свариваемой крышки,
b - зазор между свариваемыми заготовками,
dc - диаметр сварной точки.
Значения для расчета выбирались из рекомендованных значений по ГОСТ 28915-91, и для крышки толщиной 0,7 мм они составляли:
S=0,7 мм,
S1=0,75 мм,
b=0,1 мм,
dc=1 мм.
Таким образом, площадь расплавленного металла на единицу длины шва составляет Fp=0,595 мм2.
Площадь покрытия, приходящаяся на единицу длины шва, выбиралась с допущением равенства ширины покрытия по поверхности обоих деталей, и в этом случае она равна 2⋅(S1δ+Sδ), где δ - толщина покрытия. Исходя из условия, что объем покрытия должен быть менее 15% от объема сварочной ванны, расчет толщины покрытия производился по следующей формуле (в расчете на единицу длины шва):
Figure 00000001
Таким образом, толщина покрытия должна составлять менее 30 мкм.
На основании этого методом плазменного напыления на поверхность свариваемых образцов из сплава 01439 было нанесено покрытие 33,3% W+33,3% Gd+33,3%Yb толщиной 24÷26 мкм. Смешение порошков осуществлялось в смесителе установки в процентном содержании по массе. Для нанесения покрытия на участки заданных размеров на поверхности деталей размещались металлические маски, которые после нанесения покрытия удалялись.
Сварка осуществлялась на лазерном комплексе LRS-300AU по следующим параметрам режима: диаметр пятна - 6 делений, напряжение импульса - 445+455 В, частота импульса - 7 Гц, длительность импульса -4,5÷5,5 мс, энергия импульса - 35 Дж, режим импульсный, шаг - 0,3 мм. После сварки швы образцов подвергались визуальному осмотру и проверке на герметичность методом «аквариума» с подачей внутрь корпуса давления 3 атм. В результате испытаний негерметичностей обнаружено не было.
Испытания на стойкость к ионизирующему излучению проводились на установке РУП-150-10-1 при мощности излучения от 40 до 150 кэВ.
В результате было установлено, что ослабление ионизирующего излучения при прохождении через стенку происходит равномерно, что свидетельствует о защитных свойствах также и сварных соединений.

Claims (2)

1. Способ изготовления конструкции из радиозащитного алюминиевого сплава, включающий лазерную сварку соединяемых поверхностей заготовок, отличающийся тем, что предварительно на соединяемые поверхности заготовок наносят покрытие из порошка, состоящего из вольфрама, гадолиния и иттербия, смешанных в равных пропорциях, и осуществляют их сварку, при этом толщину покрытия устанавливают из условия обеспечения объема нанесенного покрытия менее 15% от объема расплавленного металла сварочной ванны.
2. Способ по п. 1, отличающий тем, что после сварки на внутреннюю поверхность конструкции наносят дополнительное радиозащитное покрытие W-Al2O3 или Мо-Аl2O3.
RU2017141600A 2017-11-29 2017-11-29 Способ изготовления конструкций из защитных алюминиевых сплавов лазерной сваркой RU2681071C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141600A RU2681071C1 (ru) 2017-11-29 2017-11-29 Способ изготовления конструкций из защитных алюминиевых сплавов лазерной сваркой

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017141600A RU2681071C1 (ru) 2017-11-29 2017-11-29 Способ изготовления конструкций из защитных алюминиевых сплавов лазерной сваркой

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2681071C1 true RU2681071C1 (ru) 2019-03-01

Family

ID=65632632

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017141600A RU2681071C1 (ru) 2017-11-29 2017-11-29 Способ изготовления конструкций из защитных алюминиевых сплавов лазерной сваркой

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2681071C1 (ru)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4760240A (en) * 1983-02-24 1988-07-26 Fujitsu Limited Process for laser welding of aluminum based elements
RU2062200C1 (ru) * 1994-06-24 1996-06-20 Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им.акад.В.П.Глушко Способ сварки паяных деталей
RU2284252C2 (ru) * 2004-11-01 2006-09-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") Способ сварки плавлением стыковых соединений биметалла на основе слоев из алюминиевых сплавов и стали или титана с одно- или двусторонними швами
RU2410221C2 (ru) * 2005-09-28 2011-01-27 Ниппон Стил Корпорейшн Сварное соединение, образованное металлом сварного шва на основе нержавеющей стали для сваривания стального листа, имеющего покрытие из сплава на основе цинка
CN102079013A (zh) * 2009-12-01 2011-06-01 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 铝合金激光焊接方法
US20110226746A1 (en) * 2006-07-12 2011-09-22 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process for Laser-ARC Hybrid Welding Aluminized Metal Workpieces
CN102861990A (zh) * 2012-10-17 2013-01-09 山东电力集团公司电力科学研究院 一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法
US20140224243A1 (en) * 2011-10-11 2014-08-14 Savo-Solar Oy Method for producing a direct flow aluminium absorber for a solar thermal collector
WO2015071621A1 (en) * 2013-11-14 2015-05-21 The Welding Institute Method of welding first and second metallic workpiece with cold or thermal spraying a layer of weld modifying material to one of the surfaces

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4760240A (en) * 1983-02-24 1988-07-26 Fujitsu Limited Process for laser welding of aluminum based elements
RU2062200C1 (ru) * 1994-06-24 1996-06-20 Научно-производственное объединение энергетического машиностроения им.акад.В.П.Глушко Способ сварки паяных деталей
RU2284252C2 (ru) * 2004-11-01 2006-09-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") Способ сварки плавлением стыковых соединений биметалла на основе слоев из алюминиевых сплавов и стали или титана с одно- или двусторонними швами
RU2410221C2 (ru) * 2005-09-28 2011-01-27 Ниппон Стил Корпорейшн Сварное соединение, образованное металлом сварного шва на основе нержавеющей стали для сваривания стального листа, имеющего покрытие из сплава на основе цинка
US20110226746A1 (en) * 2006-07-12 2011-09-22 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process for Laser-ARC Hybrid Welding Aluminized Metal Workpieces
CN102079013A (zh) * 2009-12-01 2011-06-01 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 铝合金激光焊接方法
US20140224243A1 (en) * 2011-10-11 2014-08-14 Savo-Solar Oy Method for producing a direct flow aluminium absorber for a solar thermal collector
CN102861990A (zh) * 2012-10-17 2013-01-09 山东电力集团公司电力科学研究院 一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法
WO2015071621A1 (en) * 2013-11-14 2015-05-21 The Welding Institute Method of welding first and second metallic workpiece with cold or thermal spraying a layer of weld modifying material to one of the surfaces

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. Microstructural characterizations and mechanical properties in underwater friction stir welding of aluminum and magnesium dissimilar alloys
Atabaki et al. Pore formation and its mitigation during hybrid laser/arc welding of advanced high strength steel
Carlone et al. Characterization of TIG and FSW weldings in cast ZE41A magnesium alloy
Li et al. Novel technique for laser lap welding of zinc coated sheet steels
Yan et al. Microstructure evolution and phase transition at the interface of steel/Al dissimilar alloys during Nd: YAG laser welding
Ning et al. Narrow gap multi-pass laser butt welding of explosion welded CP-Ti/Q235B bimetallic sheet by using a copper interlayer
Chattopadhyay et al. Mitigation of cracks in laser welding of titanium and stainless steel by in-situ nickel interlayer deposition
PT2969298T (pt) Métodos para aprimorar trabalhabilidade a quente de ligas de metal
EP3225346B1 (en) Method of arc-welding zn plated steel sheets
Gharavi et al. Corrosion behavior of friction stir welded lap joints of AA6061-T6 aluminum alloy
Li et al. Cold Metal Transfer Welding–Brazing of Pure Titanium TA2 to Aluminum Alloy 6061‐T6
EP3126081A2 (de) Verfahren zum herstellen einer stoffschlüssigen fügeverbindung sowie strukturelement
Lei et al. Mechanism of the crack formation and suppression in laser-MAG hybrid welded 30CrMnSiA joints
Ahuja et al. Friction stir forming to fabricate copper–tungsten composite
Zhang et al. Modulated fiber laser welding of high reflective AZ31
Reisgen et al. Laser beam welding in vacuum of thick plate structural steel
RU2404887C1 (ru) Способ сварки материалов
RU2681071C1 (ru) Способ изготовления конструкций из защитных алюминиевых сплавов лазерной сваркой
Savage et al. Microsegregation in partially melted regions in 70 Cu-30 Ni weldments
Guo et al. A novel strategy to prevent hydrogen charging via spontaneously molten-slag-covering droplet transfer mode in underwater wet FCAW
Zhong et al. Effect of in-situ transverse magnetic field on microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of the directed energy deposited 316L stainless steel
Qi et al. Comparative study on characteristics of hybrid laser-TIG welded AZ61/Q235 lap joints with and without interlayers
Višniakov et al. Laser welding of copper‐niobium microcomposite wires for pulsed power applications
Lobanov et al. Efficiency of electrodynamic treatment of aluminium alloy AMg6 and its welded joints
Kim et al. Experimental investigation on the laser welding characteristics of 6061-T6 aluminum alloy sheets

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201130