Национальный исследовательский технологический университет МИСИС, Москва, Россия

Н. В. Летягин, ведущий инженер научного проекта кафедры обработки металлов давлением (ОМД), эл. почта: n.v.letyagin@gmail.com
Т. К. Акопян, старший научный сотрудник кафедры ОМД

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия
А. В. Завитков, аспирант кафедры тепловых двигателей и энергетических установок
А. Б. Люхтер, доцент кафедры тепловых двигателей и энергетических установок, директор Научно-образовательного центра внедрения лазерных технологий (НОЦ ВЛТ)

Интерес к лазерной сварке, сочетающей универсальность, локализацию нагрева, высокую скорость процесса, позволяющей получать соединения с относительно высоким качеством и меньшим числом дефектов, непрерывно возрастает. Это требует оптимизации режимов лазерной сварки и изучения влияния лазерной обработки на качество, структуру и свойства материала. Целью данной работы является изучение возможности применения лазерной сварки для соединения горячекатаных листов алюмокальциевого сплава Al – 3 Ca – 0,5 Cu – 0,5 Mn. В ходе исследований проведен анализ структуры и свойств модельного сплава Al – 3 Ca – 0,5 Cu – 0,5 Mn. Показано, что данный состав способствует формированию при литье тонкой эвтектической структуры, благоприятной для процессов прокатки. Листы, подвергнутые горячей прокатке при 400 oC (степень деформации 80 %), имеют предел прочности 227 МПа, предел текучести 176 МПа при относительном удлинении 3,8 %. Карточки полученного сплава соединили на лазерном роботизированном комплексе сварки. Влияние тестовых режимов сварки на процесс формирования сварного шва было оценено по результатам структурных и механических исследований. На основании исследований проведен подбор оптимального режима: мощность лазера — 1200 Вт, скорость сварки — 20 мм/c, фокальный отрезок — 193 мм, расход защитного газа при подаче в зону сварки — 15 л/мин. В процессе лазерной обработки по оптимальному режиму формируется сварное соединение, имеющее визуальное качество шва, минимальную пористость в зоне плавления, а также благоприятный набор механических характеристик соединения. Полученные соединения имеют предел прочности 171 МПа, предел текучести 94 МПа, относительное удлинение 3,2 %. 

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-00179, https://rscf.ru/project/22-79-00179/.

1. Белов Н. А., Наумова Е. А., Акопян Т. К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. — М. : Руда и Металлы, 2016. — 256 с.
2. Белов Н. А., Наумова Е. А., Илюхин В. Д., Дорошенко В. В. Структура и механические свойства отливок сплава Al – 6 % Ca – 1 % Fe, полученных литьем под давлением // Цветные металлы. 2017. № 3. С. 69–75.
3. Belov N., Naumova E., Akopyan T. Effect of 0.3 % Sc on microstructure, phase composition and hardening of Al – Ca – Si eutectic alloys // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017. Vol. 27, Iss. 4. P. 741–746. DOI: 10.1016/S1003-6326(17)60084-0
4. Fokin D., Matveev S., Vakhromov R., Alabin A. Effect of alloying elements on strength properties and casting properties of corrosion resistant quench-free Al – Ca alloys // Light Metals 2022. — Springer, Cham. P. 113–118. DOI: 10.1007/978-3-030-92529-1_15
5. Akopyan T. K., Letyagin N. V., Avxentieva N. N. High-tech alloys based on Al – Ca – La(–Mn) eutectic system for casting, metal forming and selective laser melting // Non-ferrous Metals. 2020. № 1. P. 52–59.
6. Letyagin N. V., Musin A. F., Sichev L. S. New aluminum-calcium casting alloys based on secondary raw materials // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 38, Part 4. P. 1551–1555. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.08.148
7. Летягин Н. В., Шуркин П. К., Нгуен З., Кошмин А. Н. Влияние термодеформационной обработки на структуру и механические свойства сплава Al3Ca1Cu1.5Mn // Физика металлов и металловедение. 2021. Т. 122, № 8. С. 873–879. DOI: 10.31857/S001532302108009X
8. Shurkin P. K., Letyagin N. V., Yakushkova A. I., Samoshina M. E. et al. Remarkable thermal stability of the Al – Ca – Ni – Mn alloy manufactured by laser-powder bed fusion // Materials Letters. 2021. Vol. 285. 129074. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.129074
9. Рогачев С. О., Наумова Е. А., Комиссаров А. А., Васина М. А. и др. Влияние лазерной модификации поверхности на структуру и механические свойства эвтектических алюминиевых сплавов Al – 8 % Ca, Al – 10 % La, Al – 10 % Ce и Al – 6 % Ni // Известия вузов. Цветная металлургия. 2022. Т. 28, № 6. С. 58–70. DOI: 10.17073/0021-3438-2022-6-58-70
10. ГОСТ ISO 13919-2–2017. Сварка. Соединения, полученные электронно-лучевой и лазерной сваркой. Руководство по оценке уровня качества для дефектов. Часть 2. Алюминий и его сплавы. — Введ. 03.01.2019.
11. Kashaev N., Ventzke V., Çam G. Prospects of laser beam welding and friction stir welding processes for aluminum airframe structural applications // Journal of Manufacturing Processes. 2018. Vol. 36. P. 571–600. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.10.005
12. Hong K., Shin Y. C. Prospects of laser welding technology in the automotive industry: a review // Journal of Materials Processing Technology. 2017. Vol. 245. P. 46–69. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.02.008
13. Lyukhter A. B., Shlegel A. N., Gusev D. S., Samarin S. S. Study of formation of welded joint produced by laser overlap welding of aluminum AMg2M alloy and St3 steel // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Vol. 9, No. 4. P. 709–713. DOI: 10.1134/S2075113318040214
14. Jing Han, Yu Shi, Gang Zhang, Korzhyk V., Wang-yun Le. Minimizing defects and controlling the morphology of laser welded aluminum alloys using power modulation-based laser beam oscillation // Journal of Manufacturing Processes. 2022. Vol. 83. P. 49–59. DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.08.031
15. Cui L., Peng Z., Chang Y., He D. et al. Porosity, microstructure and mechanical property of welded joints produced by different laser welding processes in selective laser melting AlSi10Mg alloys // Optics and Laser Technology. 2022. Vol. 150. 107952. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.107952
16. Malikov A., Orishich A., Vitoshkin I., Karpov E., Ancharov A. Effect of post-heat treatment on microstructure and mechanical properties of laser welded Al – Cu – Mg alloy // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 64. P. 620–632. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.02.008
17. Sathish T., Sevvel P., Sudharsan P., Vijayan V. Investigation and optimization of laser welding process parameters for AA7068 aluminium alloy butt joint // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 37, Part 2. P. 1672–1677. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.07.196
18. Beiranvand Z. M., Ghaini F. M., Moosavy H. N., Sheikhi M., Torkamany M. J. Solidification cracking susceptibility in pulsed laser welding of Al – Mg alloys // Materialia. 2017. Vol. 7. 100417. DOI: 10.2139/ssrn.3394576
19. Han X., Yang Z., Ma Y., Shi C., Xin Z. Porosity distribution and mechanical response of laser-MIG hybrid butt welded 6082-T6 aluminum alloy joint // Optics and Laser Technology. 2020. Vol. 132. 106511. DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106511
20. Hu K., Muneer W., Zhang J., Zhan X. Effect of beam oscillating frequency on the microstructure and mechanical properties of dissimilar laser welding of AA2060 and AA6061 alloy // Materials Science & Engineering A. 2022. Vol. 832. 142431. DOI: 10.1016/j.msea.2021.142431
21. Chen L., Wang C., Xiong L., Zhang X., Mi G. Microstructural, porosity and mechanical properties of lap joint laser welding for 5182 and 6061 dissimilar aluminum alloys under different place configurations // Materials and Design. 2020. Vol. 191. 108625. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108625
22. Dimatteo V., Liverani E., Ascari A., Fortunato A. Weldability and mechanical properties of dissimilar laser welded aluminum alloys thin sheets produced by conventional rolling and Additive Manufacturing // Journal of Materials Processing Technology. 2022. Vol. 302. 117512. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2022.117512
23. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — Введ. 01.01.1986.
24. ГОСТ 6996–66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. — Введ. 01.01.1967.
25. Naumova E., Doroshenko V., Barykin M., Sviridova T. et al. Hypereutectic Al – Ca – Mn – (Ni) alloys as natural eutectic composites // Metals. 2021. Vol. 11. 890. DOI: 10.3390/met11060890
26. Belov N. A., Naumova E. A., Doroshenko V. V., Korotkova N. O., Avxentieva N. N. Determination of the parameters of a peritectic reaction that occurred in the Al-rich region of the Al – Ca – Mn system // Physics of Metals and Metallography. 2022. Vol. 123. P. 759–767. DOI: 10.1134/S0031918X22060047
27. Xu J., Rong Y., Huang Y., Wang P., Wang C. Key-hole inducedporosity formation during laser welding // Journal of Materials Processing Technology. 2018. Vol. 252. P. 720–727. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.10.038
28. Fetzer F., Hagenlocher C., Weber R., Graf T. Geometry and stability of the capillary during deep-penetration laser welding of AlMgSi at high feed rates // Optics & Laser Technology. 2021. Vol. 133. 106562. DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106562
29. Norris J. T., Robino C. V., Hirschfeld D. A., Perricone M. J. Effects of laser parameters on porosity formation: investigating millimeter scale continuous wave Nd:YAG laser welds // Welding Journal. 2011. Vol. 17. P. 431–437.
30. Шуркин П. К., Карпова Ж. А., Латыпов Р. А., Мусин А. Ф. Свойства сварных соединений сплава системы Al – Zn – Mg – Са, легированного микродобавками циркония и скандия // Цветные металлы. 2021. № 2. P. 84–92.
31. Karpova Zh. A., Shurkin P. K., Sivtsov K. I., Laptev I. N. Processability and structure formation of the Al – Zn – Mg – Ca – Fe – Zr – Sc alloy upon hot rolling and TIG welding // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2021. Vol. 62. P. 431–440. DOI: 10.3103/S106782122104009X
32. Akopyan T. K., Letyagin N. V., Sviridova T. A., Korotkova N. O., Prosviryakov A. S. New casting alloys based on the Al + Al4(Ca, La) eutectic // JOM. 2020. Vol. 72. P. 3779–3786. DOI: 10.1007/s11837-020-04340-z