Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия¹ ; Московский политехнический университет, Москва, Россия²:

Н. В. Летягин, ведущий инженер научного проекта кафедры «Обработки металлов давлением» (ОМД)¹, доцент сектора научной деятельности², эл. почта: n.v.letyagin@gmail.com

Т. К. Акопян, старший научный сотрудник кафедры ОМД¹, ведущий научный сотрудник кафедры «Материаловедение»²

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:
П. А. Палкин, магистрант кафедры ОМД

Московский политехнический университет, Москва, Россия:

В. В. Овчинников, главный научный сотрудник кафедры «Материаловедение»

В последние годы повышенный интерес вызывают технологии гибридного формообразования, при этом особое внимание уделяют алюминиевым сплавам, которые соответствуют требованиям в стратегии снижения массы изделий при сохранении повышенных прочностных характеристик. Наравне с созданием новых высокотехнологичных алюминиевых сплавов актуальными являются вопросы соединения изделий из таких материалов в единую сборочную единицу. В данной работе исследованы возможности применения лазерной сварки для образования стыкового соединения тонкого горячекатаного листа алюминиевого сплава Al – 5 Zn – 1,3 Mg – 1 Ca (Fe, Mn, Cu, Si) (% (мас.)). Исходный (негомогенизированный) слиток экспериментального сплава подвергли горячей прокатке при температуре 450 ^oC до толщины 2 мм (степень обжатия 90 %). Карточки полученного сплава соединили на лазерном роботизированном комплексе сварки при оптимальном режиме, обеспечивающем визуальное качество шва при минимальной пористости сварного соединения. Мощность лазера— 2400 Вт, скорость движения лазерного луча — 10 м/c, фокусное расстояние— 217 мм, расход защитного газа при подаче в зону сварки — 15 л/мин. Влияние выбранных параметров сварки на процесс формирования сварного шва было оценено по результатам микроструктурных и физико-механических исследований. Установлено, что в процессе лазерной обработки формируется сварное соединение высокого качества без трещин и с низкими показателями пористости. Прочностные свойства находятся на уровне σ_в = 240 МПа, σ_0,2 = 170 МПа при относительном удлинении δ = 3 %. Показатели предела прочности соединения составляют 83 %, предела текучести — 92,5 % показателей прочности основного металла. Полученные результаты позволяют считать применение метода лазерной сварки перспективным для получения соединений листового проката экспериментальных сплавов системы Al – 5 Zn – 1,3 Mg – 1 Ca (Fe, Mn, Cu, Si) (% (мас.)), структура которых отличается от марочных сплавов серии 7ххх наличием кальцийсодержащей эвтектики, обеспечивающей повышенную трещиностойкость и технологичность в процессе литья и сварки.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00121, https://rscf.ru/project/22-19-00121/.

1. 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 Tech. 2022. Vol. 302. 117512.
2. 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. Vol. 1. P. 52–59. DOI: 10.17580/nfm.2020.01.09.
3. 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.
4. Ascari A., Fortunato A., Liverani E., Gamberoni A., Tomesani L. New possibilities in the fabrication of hybrid components with big dimensions by means of selective laser melting (SLM) // Physics Procedia. 2016. Vol. 83. P. 839–846.
5. Altıparmak S. C., Yardley V. A., Shi Z., Lin J. Challenges in additive manufacturing of high-strength aluminium alloys and current developments in hybrid additive manufacturing // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2021. Vol. 4. P. 246–261.
6. Kashaev N., Ventzke V., Çam G. Prospects of laser beam welding and friction stir welding processes for aluminum airframe structural applications // Journal Manufacturing Processes. 2018. Vol. 36. P. 571–600.
7. Sadeghian A., Iqbal N. A review on dissimilar laser welding of steel-copper, steel-aluminum, aluminum-copper, and steel-nickel for electric vehicle battery manufacturing // Optics and Laser Technology. 2022. Vol. 146. 107595.
8. Yang J., Oliveira J. P., Li Y., Tan C. et al. Laser techniques for dissimilar joining of aluminum alloys to steels: A critical review // Journal of Materials Processing Tech. 2022. Vol. 301. 117443.
9. Jiang J., Atkinson H. V., Wang Y. Microstructure and mechanical properties of 7005 aluminum alloy components formed by thixoforming // Journal of Materials Science & Technology. 2017. Vol. 33. P. 379–388.
10. Shin J., Kim T., Kim D., Kim D., Kim K. Castability and mechanical properties of new 7xxx aluminum alloys for automotive chassis/body applications // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 698. P. 577–590.
11. Akopyan T. K., Gamin Y. V., Galkin S. P., Prosviryakov A. S. et al. Radial-shear rolling of high-strength aluminum alloys: Finite element simulation and analysis of microstructure and mechanical properties // Materials Science Engineering: A. 2020. Vol. 786. 139424.
12. Shurkin P., Akopyan T., Prosviryakov A., Komissarov A., Korotkova N. Single track scanning experiment on the hypereutectic aluminum alloy Al – 8 % Zn – 7 % Ni – 3 % Mg // MATEC Web of Conferences. 2020. Vol. 326. 07001.
13. Akopyan T. K., Belov N. A. Approaches to the design of the new high-strength casting aluminum alloys of 7xxx series with high iron content // Non-ferrous Metals. 2016. № 1. P. 20–27.
14. Шуркин П. К., Долбачев А. П., Наумова Е. А., Дорошенко В. В. Влияние железа на структуру, упрочнение и физические свойства сплавов системы Al – Zn – Mg – Ca // Цветные металлы. 2018. № 5. С. 69–77.
15. Shurkin P. K., Belov N. A., Musin A. F., Samoshina M. E. Effect of calcium and silicon on the character of solidification and strengthening of the Al – 8 % Zn – 3 % Mg alloy // Physics of Metals and Metallography. 2020. Vol. 121 (2). P. 135–142.
16. Shurkin P. K., Belov N. A., Musin A. F., Aksenov A. A. Novel high-strength casting Al – Zn – Mg – Ca – Fe aluminum alloy without heat treatment // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2020. Vol. 61. P. 179–187.
17. 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. С. 84–92.
18. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — Введ. 01.01.1986.
19. ГОСТ 6996–66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств. — Введ. 01.01.1967.
20. Xu J., Rong Y., Huang Y., Wang P., Wang C. Key-hole induced porosity formation during laser welding // J. Mater. Process. Technol. 2018. Vol. 252. P. 720–727.
21. 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 // Weld. J. 2011. Vol. 17, Iss. 6. P. 431–437.
22. Li K., Lu F., Guo S., Cui H., Tang X. Porosity sensitivity of A356 Al alloy during fiber laser welding // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2015. Vol. 25. P. 2516–2523.
23. ISO 13919-2-2017. Соединения, полученные электронно-лучевой и лазерной сваркой. Руководство по оценке уровня качества для дефектов — часть 2: Алюминий и его сплавы.
24. Neikov O. D., Naboychenko S. S., Yefimov N. A. Handbook of non-ferrous metal powders: technologies and applications. 2nd ed. — London, UK: Elseiver, 2018. — 995 p.
25. Bao S., Tang K., Kvithyld A., Engh T., Tangstad M. Wetting of pure aluminium on graphite, SiC and Al₂O₃ in alumi nium filtration // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2012. Vol. 22. P. 1930–1938.