5.2. Лазерная сварка титановых сплавов

В соответствии с микроструктурой титановые сплавы традиционно классифицируются по трем категориям: α сплавы (состоящие из различных классов чистоты титановых сплавов), α+β сплавы (представляющие а фазу и небольшие объемы фракции β фазы в равновесии, хотя мартенситные преобразования могут также произойти при быстром охлаждении), и β сплавы (которые не преобразуются мартенситным образом при быстром охлаждении из поля фазы β). При комнатной температуре титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью вследствие формирования очень стабильных, слитных, сильноклейких и защитных оксидных пленок на поверхностях металлов, формируемых при воздействии, воздуха. Нелигированный титан и все титановые сплавы обладают хорошей способностью к сварке, вязкостью и прочностью. Сплавы α+β показывают хорошее формообразование и свариваемость, при этом их свойства сильно зависят от термической обработки, Сплавы β обладают плохой свариваемостью из-за потери прочности после спарки. К некоторым интересным свойствам сварки титановых сплавов относится их низкая теплопроводность (ниже 22 Вт*см^-1*К^-1), которая обусловлена рассеиванием тепла, и их низкий коэффициент теплового расширения (-8,6*10^-6 м/м К), что исключает появление напряжений во время сварки. Другими словами, титановые сплавы имеют низкое тепловыделение, что минимизирует напряжения, возникающие при сварке, и снижают искажения. Титановые сплавы демонстрируют высокую скорость поглошения лазерного пучка (0,4%) и высокую температуру плавления (1943 К). Эти свойства предполагают, что для сварки указанных сплавов требуется высокая мощность. Поэтому, принимая во внимание эти соображения, технология лазерной сварки является подходящей для соединения этих сплавов, поскольку она обеспечивает высокую степень локализации в узкой ванночке расплава, значительно снижая требуемую энергию по сравнению с другими методами сварки.

Лазерная сварка предъявляет к титановым сплавам некоторые требования. В первую очередь, огромное значение для сварки имеет процедура очистки образцов. Эти строгие меры необходимы из-за высокой реакционной способности титановых сплавов (проявляемой при высокой температуре) с такими газами, как кислород и азот, что приводит к загрязнению промежуточными включениями сварочного шва. Титановые сплавы также обладают высокой реакционной способностью со смазочными материалами, грязью, огнеупорной керамикой и большинством других металлов при высокой температуре, что приводит охрупчиванию сварных швов. Хотя реактивная способность титановых сплавов с кислородом, как известно из литературы, при температурах ниже 873 К ограничена, выше этой температуры наблюдается обширный рост слоя оксида, формируемого благодаря высокой скорости диффузии кислорода, что ведет к охрупчиванию примыкающего богатого кислородом слоя. По этой причине использование защитного газа абсолютно обязательно для предотвращения окисления и охрупчивания при формировании ванночки жидкого металла сварного шва. При эффективном использовании защитного газа никакого существенного загрязнения кислородом при лазерной сварке не происходит.