Лазерная сварка латуни, стали и чугуна
Содержание:
Работа с металлами обычно зависит от их физических свойств: пластичности, плотности, хрупкости и теплопроводности. Но со сплавами все усложняется эвтектикой и химическими реакциями, причем часто кардинально. Например, неспециалист справедливо заметит, что сталь и чугун — почти одно и тоже: железо с полезными и не очень примесями. Но сварщик уверенно скажет, что это даже не сплавы, это вещи с разных планет! А вот латунь и сталь, несмотря на абсолютно разные составы и температуры плавления, часто ведут себя как братья-близнецы.
Все потому что лазерная сварка имеет одно огромное преимущество: очень быстрый разогрев узкого участка, что запускает физико-химические процессы, которые невозможны при обычных способах прогрева. Почти всегда они идут только на пользу, но иногда заставляют понервничать. В любом случае они отличаются от условий во время работы обычных видов сварки.
Лазерная сварка латуни
Промышленных марок этого сплава — огромное количество, но для лазерного луча их состав не имеет большого значения. Они отличаются разным содержанием меди и цинка, а иногда и олова с небольшими добавками. В первую очередь нужно ориентироваться на медь, как самый тугоплавкий компонент: медь плавится при 1085 ℃, цинк — всего лишь при 420 ℃. Ну а олово даже дети плавят прямо на костре.
Специфика всех латунных сплавов заключается в том, что свариваемые заготовки не требуют предварительного прогрева при любых видах сварки — такая термообработка скорее вызовет нежелательные деформации. В основном, работать с латунью гораздо проще, чем с медью. Например, если ручной волоконный лазер прекрасно справится с медной заготовкой, пусть даже в импульсном турбо-режиме из-за ее толщины, то он тем более прекрасно разогреет медно-цинковую эвтектику уже без специальных ухищрений.
Идеальный шов
Латунь не обладает столь высоким коэффициентом отражения, как медь, плавится в диапазоне 880 — 950 ℃, и даже тончайший слой окислов цинка и олова увеличивает коэффициент поглощения энергии лазерного луча. То есть естественные легкий прогрев и высокая теплоемкость расплава латуни идеальны для хорошо настроенного импульсного режима в случае стыковой сварки. И очень хороши для постоянного режима.
Но если латунные детали имеют толщину более полусантиметра, то лучше всего стараться делать швы вертикально и «снизу вверх», чтобы расплав частично попадал на уже остывающий участок шва. При движении луча эпицентр ванны с расплавом будет охлаждаться быстрее, в то время как ниже по шву расплав будет затвердевать равномернее. В итоге шов будет обладать не только отличной структурой, но и идеальным экстерьером.
Токсичность
Цинк обязательно входит в состав латуни. Он легкоплавок и очень хорошо испаряется еще задолго до точки кипения. При незначительном повышении температуры он становится химически активным, а практически все его соединения являются токсичными. Для защиты вполне достаточно респиратора и очков на глазах, но лучше обезопасить себя хорошей вентиляцией.
Хрупкость и отслоения
А вот этот момент уже неприятен, и от него не отмахнуться: если бы не оксидная пленка, цинк стал бы реагировать с водой даже в обычных домашних условиях. При нагреве свыше 250 ℃ он прекрасно вступает в реакцию с водяным паром — его хватает в воздухе. Простенькая формула Zn + H2O = ZnO + H2 очевидно объясняет проблему. Водород не только может образовывать микропузырьки в сплаве, но и при соприкосновении с воздухом образовывать очаги перегрева. Если вам необходимо спаять очень тонкие детали менее 0,5мм толщиной, особенно микроконтакты или дорожки на многослойной плате, стоит подумать об аргоне или азоте в качестве инертной струи, иначе все может кончиться отслоением дорожки или сломом контакта.
Лазерная сварка железа и различных марок стали
Состав различных распространенных сортов стали мало отличается. В основном принято оценивать плотность, огнеупорность, плотность с прочностью и упругость. Однако в любом случае условия для лазерной сварки стальных изделий почти неизменны. Зато у каждого подвида стали есть свои приятные бонусы:
Есть луч — есть прочность
Высоко- и среднеуглеродистые стали встречаются чаще всего. Некоторые легированные марки тоже обладают сходными свойствами и ведут себя во время сварки аналогично. Например, среднеуглеродистые стали чаще всего используются для сварных рамочных конструкций. Эти «рабочие лошадки» включают в свой состав 0,45…0,75% углерода. Специальные конструкционные легированные марки суммарно содержат 2,5…10% легирующих элементов.
Эти стали требуют усилий при сварке, так как они склонны к образованию закалочных структур в самом шве и в окружающей зоне термического влияния. Это неизменно приводит к возникновению горячих и холодных трещин и даже пор в металле шва.
При этом лазерная сварка при мощном луче и его быстром перемещении (при скорости более 30 мм/сек) практически полностью избавляют даже от горячих трещин. Образуется шов с равномерной литой структурой и существенно измененным химическим составом, отличающимся от изначального сорта стали. В зависимости от условий сварки проявляется и эффект закалки металла, иногда настолько, что сварной шов становится на 15% прочнее нетронутого лазером металла. Примерно на столько же повышается и ударная вязкость.
В любом случае эффект от лазерной сварки — только на пользу сварной конструкции.
И снова прочность, но с упругостью
Высоколегированные стали существенно отличаются по составу: общее содержание легирующих компонентов может достигать 55%! Основные свойства таких марок задают хром (до 18%) и никель (до 10%). Но если никель физико-химически мало отличается от железа, то хром отличается как общей химической активностью, так и специфическими свойствами, присущими как металлам, так и неметаллам.
Основным недостатком этих сталей является предрасположенность к образованию трещин во шве и околошовных участках из-за специфической формы и размеров эвтектических кристаллов. Так что если кристаллы длинные, тонкие и хрупкие, то их надо измельчить!
Но обычная газовая и даже дуговая сварки захватывают прогревом довольно большой участок вокруг места сварки, поэтому постепенное остывание большого объема металла снова приводит к образованию хорошо сформированной столбчатой структуры. В свою очередь лазер не только резко сужает место прогрева, но и «ударным» действием крошит кристаллическую решетку в мелкодисперстное состояние. Из-за неравномерного прогрева различных легирующих компонентов в самом шве снижаются избыточные примеси легировки: внутри плавильной ванны они оттесняются на периферию и образуют не эвтектические, а полноценные химические соединения с железом — ферриты. Ферриты же образуют тонкие крепкие дендритные структуры, добавляющие дополнительной прочности шву.
Как результат, лазерная сварка позволяет избежать самого главного недостатка спаянных сталей — коррозионному растрескиванию. Например даже при дуговой сварке частички легкого и активного хрома всплывают на поверхность расплава и остаются на поверхности шва и активно взаимодействуют с атмосферой. Карбид и оксид хрома — твердые рыхлые соединения, которые только усиливают остаточное растягивающее напряжение вдоль шва. Карбид продолжает окисляться, продолжая расширять микротрещины, как трава в трещине асфальта.
Очевидно, что лазер сводит этот эффект практически к минимуму.
Лазерная сварка чугуна
Общий процент примесей в чугуне относительно мал, но беда в том, что эти примеси совершенно не металлические. В первую очередь это углерод, кремний, сера и фосфор — очень активные элементы. Даже при обычной эксплуатации у чугунных деталей появляются трещины и изломы, а уж при сварке даже аккуратное равномерное охлаждение приводит к непредсказуемым последствием.
Сульфиды
Главный «виновник» — легкоплавкий сплав Fe-FeS, молекулы которого при охлаждении чугуна тонким слоем покрывают зерна железа. Но кроме легкоплавкости сплав отличается большим удельным коэффициентом расширения. При даже среднем прогреве его расширение вызывает множественные очаги внутреннего напряжения и трещины в околошовных зонах.
Кремний
От FeS не отстает кремний, хотя его «вклад» отличается. При сварке кремний выгорает и образует два оксида: SiO2 (классический песок) и SiO — оба твердые и оба с температурой плавления выше температуры сваривания — 1700 ℃. При высоких температурах кремний образует многочисленные зоны с очень высокой твердостью, что быстро приводит к образованию трещин.
Углерод, и как с ним бороться на пользу себе
С основной примесью, углеродом, металлурги сталкиваются очень давно, и алгоритм решения проблем при отливке выработан. Однако пока не для сварки. Чугун делят на два вида: белый и серый.
Чугун называют отбеленным, если большая часть углерода в нем связана химически в виде цементита Fe3C. Цементит, как и все карбиды, тверд, но очень хрупок и имеет невысокую плотность. Если чугун охлаждается быстро, то углерод не успевает кристаллизоваться в виде графита, по сути из аморфного активного состояния реагируя с атомами железа. В результате из-за таких «микрокамешков» цементита чугун становится слишком твердым и хрупким с характерным белым отливом на изломе.
Белый чугун используют только как источник железа при литье. Сам по себе он фактически бесполезен.
Зато в сером чугуне углерод содержится в виде графита. Графит имеет слоистую, как бы «скользящую» кристаллическую структуру, которая добавляет пластичности общей массе металла. Для образования этого вида чугуна очень важно постепенное охлаждение металла, так как образование графита происходит не только во время перехода из жидкого в твердое состояние, но и на протяжении всего охлаждения.
Лазер за счет скорости прогрева очень узкой зоны сварки в значительной части нивелирует эти проблемы, но все же от двух из них полноценно избавиться не удастся:
Склонность чугунов к «отбеливанию»
Быстрый нагрев и быстрое охлаждение всегда будут сопровождаться образованием цементитов и, в результате, трещин. Решается или методом «руки мудреца», то есть опытным сварщиком, который сможет правильно подобрать режим сварки, или предварительным прогревом до 500 — 600 ℃, как и при других видах сварки. Но лазер позволит быстро провести шов, благодаря чему спаянная деталь будет охлаждаться одновременно и равномерно как минимум в районе шва.
Резкий переход между агрегатными состояниями
Причем у разных марок температура плавления отличается на десятки градусов! Снова помогает способность лазера сваривать шов как можно быстрее, пока перепады температур и разные коэффициенты расширения не наделали трещин вокруг шва.
Но лучшим способом добиться качественного шва остается сварка со стальным малоуглеродистым электродом в качестве присадочного материала или чугунные прутки из того же материала, что и свариваемая деталь. Но при использовании чугуна в качестве присадки не помешает флюс. Обычно это смесь из 50% буры, 47% двууглекислого натрия и 3% окиси кремния.