Лазерный атомный эмиссионный спектральный анализ (LIBS анализ — laser induced breakdown spectroscopy), применяемый в данной работе, является одним из перспективных методов для исследования структуры сварного шва, определяющей его механические и электрические свойства [1]. Суть метода заключается в получении плазменного факела воздействием сфокусированного лазерного излучения на исследуемый материал и дальнейшем анализе спектра факела дифракционным спектрографом.

Для исследования применялась установка LDMA производства НПФ «Прибор-Т» СГТУ. Источник возбуждения спектров Nd: YAG-лазер (λ = 1,06 мкм), работающий в режиме гигантского импульса с модулированной добротностью со следующими параметрами: частота следования импульсов 25 Гц, длительность импульса 5–9 нс, плотность мощности 10¹⁰–10¹² Вт/см², абсолютный предел обнаружения 10^–10 г; относительный — 0,001%. В установке используется дифракционный спектрограф типа ДФС‑458 с решетками 900, 1200 и 1800 мм^‑1 на три спектральных диапазона и ПЗС — камера высокого разрешения, обеспечивающая анализ в спектральном диапазоне 200–800 нм. Программное обеспечение разработано таким образом, что каждый спектральный диапазон отображается на 8 экранах. Пример скриншота экрана представлен на рис. 1. В экспериментах рассматривался традиционный спектральный диапазон 200–350 нм, поскольку в нем основные вещества имеют наиболее ярко выраженные спектральные линии.

Рис. 1. Скриншот экрана со спектрами.

Лазер часто используется для сварки, когда важны высокая локальность, малая длительность воздействия и эстетичный вид сварного соединения. Однако исследования показали значительные изменения структуры, элементного состава в зоне лазерной обработки, где имеют место процессы переноса вещества. Перераспределение примесей, в свою очередь, влияет на физические, механические и эксплуатационные свойства материалов.

При взаимодействии лазерного излучения с веществом на границе разрушения формируется тонкий слой жидкого металла. Чем выше плотность мощности, тем меньше толщина зоны расплава в обрабатываемом материале для каждого определенного уровня энергии или мощности. Этот слой может быть обогащен или обеднен легирующими элементами и примесями из-за различной эластичности паров легирующих элементов и металла-основы, а также из-за различной растворимости веществ в жидкой и твердой фазе. При движении границы расплава процесс испарения забирает примесные атомы из поверхности граничного слоя и частично из переходного слоя, прилегающего к границе. Скорость растворения определяется температурой в жидкой фазе, длительностью контакта между жидкой и твердой фазами, физической природой атомов примеси и концентрацией элемента. Для большинства материалов их растворимость в жидкой фазе выше, чем в твердой фазе. Именно поэтому перед границей жидкой фазы со стороны основного материала формируется слой, обедненный примесями.

При исследовании сварных швов сталей в качестве объектов исследования были взяты стальные пластины, сваренные встык (рис. 2 а) и внахлест (рис. 2 б). В состав стального сплава входят следующие легирующие элементы: 0,1% Al, 0,4% Mn, поверхность покрыта цинком. Лазерная шовная сварка была произведена на установке TRUDISC 1000 (фирма Trumph, Германия) в непрерывном режиме дисковым лазером Yb: YAG-лазером, длина волны λ=1,03 мкм, мощность P=1 кВт. Толщина свариваемых кромок 2 мм. Ширина сварных швов встык на материале 3–4 мм со стороны лазерного воздействия и 0,5–1,5 мм с обратной стороны.

                   а)                                           б)
Рис. 2. Фотографии швов, сваренных на установке TRUDISK‑1000: а) — встык б) — внахлест.
 

Поверхность лазерных сварных швов исследовалась в граничной зоне шва «с», центральной зоне «a» и промежуточных «b» (рис. 3 а). Если ширина шва была меньше 4 мм, промежуточная зона была исключена из рассмотрения и исследовались только граница и центр таких сварных швов.

                        а)                                                         б)
Рис. 3. Схема пробоотбора в горизонтальном (а) и вертикальном (б) направлении.

При исследовании перераспределения химических элементов в направлении действия лазерного излучения рассматривались вертикальные зоны путем последовательного заглубления при лазерном пробоотборе (рис. 3 б). Пробоотбор с обратной стороны шва был исключён из рассмотрения, т. к. большая часть швов была сделана внахлёст и поверхность с обратной стороны была неудобна для исследования. Три зоны определялись трехкратным лазерным сканирующим пробоотбором на глубину 100, 130 и 145 мкм и одна в ту же область точечным пробоотбором на 300 мкм.
Градуировочный график для количественного анализа был создан с использованием специального набора эталонов для количественного спектрального анализа сталей.

Рис. 4. Распределение концентрации марганца в приповерхностном слое шва в центральной части от скорости перемещения луча лазера.
 

Рис. 5. Распределение концентрации алюминия в приповерхностном слое шва в центральной части от скорости перемещения луча лазера.

На рис. 4 и 5 представлены зависимости концентрации элементов от скорости перемещения лазерного луча по поверхности свариваемых деталей. Можно заметить, что при увеличении скорости сварки концентрация марганца в приповерхностных слоях швов снижается. Даже если включить в рассмотрение одновременно результаты по сварке встык и внахлёст, как в нашем случае на рис. 4, видна линейная или почти линейная обратная зависимость. Можно предположить, что на высокой скорости марганец активно вытесняется другим элементом из сварной ванны.

При сравнении рис. 4 и 5 явно заметна тенденция выдавливания марганца алюминием на самой высокой из исследованных скоростей 3 м/мин. В этом случае можно выделить закономерность для сварки внахлёст: при более высокой скорости наблюдается более выраженная миграция алюминия к поверхности. Можно сделать вывод, что шов будет более защищён от коррозии оксидной плёнкой алюминия, но при этом его поверхностная область в пределах 200 мкм будет обладать чуть более высокой тепло- и электропроводностью, чем основной материал и глубинная часть шва.

Следующим исследованием стал анализ сварных швов стальных прутов. Соединения были выполнены угловым способом по внутренней стороне газовой сваркой. Соединялись пруты разного диаметра трёх видов сталей: ст. 10 Ø57×3,5 мм, ст. 10 Ø108×3,5 мм, ст. 2 пс Ø21,3×2,8 мм и ст. 3 пс Ø159×4,5 мм. Каждый вид соединения был выполнен кислородом и ацетиленовой смесью. Основной задачей исследования было определение разницы в составе ацетиленовых и безацетиленовых швов разных комбинаций сталей.

В самом начале исследования был выяснен состав основных представленных материалов. Содержание примесей в сталях марок ст. 2 пс и ст. 3 пс определяется ГОСТ 14637 «Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества» и ГОСТ 380. Содержание хрома, никеля и меди в этих сталях не нормируется; различие состава ст. 2 пс и ст. 3 пс выражается только в допуске на снижение содержание марганца в ст. 3 пс на 0,1%. В составе ст. 10 нормируется только Mn (0,35–0,65). Остальные элементы (могут входить Si, Cu, As, Ni, Cr, P, S) нормируются по максимальной границе, т. е. «не более».

Результаты проведенного нами спектрального анализа состава основных материалов представлены в таблице 1. В составе образцов ст. 10 были выявлены марганец, кремний, медь. В составе ст. 2 пс и ст. 3 пс хром отсутствует. Остальные элементы были представлены в незначительных следовых количествах. По полученным данным материалы соответствуют заявленным маркам.

После определения состава были выявлены изменения в зонах сварного шва. Рассматривалось содержание марганца, меди, кремния и хрома с центральной линии шва и с граничной. Пробоотбор осуществлялся не со стороны действия сварки, а с бокового среза. Центральная линия определялась как медиана треугольника, образованного угловым соединением и наплавом от сварки. Граница шва определялась ориентировочно, примерно на расстоянии 3–5 мм от центральной линии шва вдоль какой-либо из сваренных деталей.

Зависимость распределения меди и марганца от расстояния от центра шва для случая сварки ст. 10‑ст. 10 без ацетилена представлена на рис. 6 и с ацетиленом на рис. 7. Кремний исключён из подробного рассмотрения, т. к. не проявил явных тенденций к изменению содержания.

Рис. 6. Распределение концентрации марганца и меди в центральной и граничной зоне шва при сварке без ацетилена.

Рис. 7. Распределение концентрации марганца и меди в центральной и граничной зоне шва при сварке с ацетиленом.

В случае безацетиленовой газовой сварки наблюдается обогащение центральной зоны шва относительно границы. Это распределение аналогично рассмотренному на первом этапе для лазерной сварки однородной стали. По меди наблюдается обогащение во всём шве; по марганцу только центральной зоне — на границе шва содержание марганца выравнивается с исходным. Граница «жидкая фаза — твёрдый материал» обеднена примесями, как и в случае лазерной сварки.

Противоположная картина наблюдается при применении ацетилена. Центральная часть сильно обеднена марганцем, а граница явно перенасыщена медью. Причём в этом случае во всём шве наблюдается обогащение по меди и обеднение по марганцу.
Вероятно, противоположность полученных результатов для ацетиленовой и безацетиленовой сварки объясняется разной температурой в сварной зоне. Ацетиленовая смесь применяется для повышения температуры до величины около 3100°C, в то время как кислородная газовая сварка даёт температуру не более 2500°C. При сварке низкоуглеродистых сталей в самой горячей центральной зоне сварного шва происходит разрушение оксидов и сульфидов, удерживающих примеси, и происходит вытеснение их к участку неполного расплавления — границе шва. Металл нагревается в интервале температур между линиями солидуса и ликвидуса, что приводит к частичному расплавлению (оплавлению) его зерен. Пространство между частично оплавленными зернами железа заполняется жидкими прослойками расплавленного металла, который содержит вытесненные марганец и медь. Увеличению химической неоднородности металла на этом участке способствует и слоистая ликвация, а также стандартная диффузия элементов.

Причины обогащения медью швов в обоих случаях нуждаются в дополнительных исследованиях. Оно, вероятно, связано с особыми свойствами меди, которые ранее обуславливали промежуточные вертикальные экстремумы концентраций в лазерных сварных швах.

Рассмотренное распределение позволяет сделать вывод, что в ацетиленовых швах, несмотря на признанное более высокое качество сварки и высокую скорость, центральная часть шва более уязвима для внешних воздействий, таких как ударные нагрузки и переменные температуры за счёт обеднения марганцем.

Общий результат представлен в таблице 2. Видно, что соединения разноимённых сталей демонстрируют аналогичные результаты.

Исследование сварных швов разных металлов проведено на примере шунтов медь-манганин (рис. 8). Толщина свариваемых кромок 1,5 мм.

Рис. 8. Фотография шва Cu-манганин. Длина 1,34 мм.

Состав манганина: 11,5–13,5% Mn, 2,5–3,5% Ni, остальное Cu. Медная часть шунта изготавливается из меди типа М0 или М1. Это чистая медь с общим содержанием примесей порядка сотых долей процента.

Лазерная сварка проведена импульсным Nd: YAG-лазером, длина вол-ны 1,06 мкм, мощность 200 Вт. Изменения отслеживались по содержанию марганца и никеля в шве в глубину, поскольку для электрических шунтов более важным является изменение объёмных свойств, особенно электропроводности. Пробоотбор проводился четырьмя последовательными заглублениями на 100, 250, 320, 370 мкм в центральной зоне шва.

До рассмотрения реальных швов мы предполагали, что содержание легирующих Mn и Ni в шве должно составлять величину, промежуточную между их содержанием в манганине и в меди. Поскольку содержание этих элементов в меди пренебрежимо мало по сравнению с манганином предполагаемая концентрация Ni~1,5%, Mn~6%. На практике зависимость получилась иной.

На рис. 9 показано распределение в глубину марганца (а) и никеля (б) в сварном шве медь-манганин. Правый столбец на обоих графиках соответствует содержанию в манганине марганца и никеля соответственно.

Рисунок 9 показывает, что в тонком приповерхностном слое сварного соединения наблюдается обогащение обоими элементами. Для марганца характерно резкое возрастание концентрации в первом слое 100 мкм и постепенное снижение концентрации до уровня манганина примерно на глубине 300 мкм. Для никеля выравнивание концентраций наступает чуть раньше на глубине около 250 мкм. Далее содержание марганца и никеля ниже, чем в манганине.

Следует отметить, что в смешанном шве медь-манганин, в отличие от сварного шва стали, не наблюдается обеднение фронтальной поверхности шва относительно следующих слоёв. Напротив, смешанные швы с медной матрицей характеризуются резким обогащением фронтальной области. Из вида зависимости можно заключить, что обогащение происходит за счет внутренней области сварного шва.

                                a)                                                          б)
Рис. 9. Распределение концентрации элементов в глубину при сварке Cu-манганин: а) Mn; б) Ni.

На свойства сварного шва факт поверхностного обогащения оказывает двоякое влияние. Благодаря ему внутренняя область сварного соединения защищена от химических воздействий, коррозии. Но в тонком поверхностном слое толщиной 100 мкм из-за повышенного содержания марганца и никеля могут наблюдаться электрические пробои. Интересно отметить, что содержание обоих элементов в тонком приповерхностном слое выросло одинаково: примерно в 4 раза и для марганца, и для никеля. Это может упростить электрический и тепловой расчёт при проектировании приборов с такими швами, если влияние изменённого слоя будет учитываться.

Полученные результаты говорят о необходимости учитывать при сварке ответственных швов тот факт, что характеристики сварного шва могут отличаться не только от основного материала, но и иметь различия внутри самого шва как по механическим параметрам (твердость, пластичность, хладноломкость и т. д.), так и по электрическим (электропроводность, теплопроводность), что является немаловажным при сварке конструкций приборов машиностроения и особенно в аэрокосмической и электронной промышленности.

По итогам исследований можно сделать практические выводы:
 

1. Распределение химических элементов в лазерном сварном шве зависит от скорости сварки. Выявлена почти линейная зависимость перераспределения марганца в шве от скорости сварки внахлёст; для алюминия продемонстрирована более сложная зависимость. При более высокой скорости миграция алюминия к поверхности увеличивается, а миграция марганца уменьшается.

2. Распределение примесей стали при газовой сварке зависит от применяемой газовой смеси. Если сварка кислородом показала распределение примесей в шве, аналогично лазерному, то применение ацетилена изменило зависимость на противоположную. Центральная часть сильно обеднена марганцем, а граница явно перенасыщена медью. Причём в этом случае общее обогащение по меди и обеднение по марганцу наблюдается во всём шве. Это связано с более высокой температурой ацетилена, влияющей на формирование оксидных слоёв.

3. Кривые концентраций для сварных швов одноимённых и разноимённых элементов с железной основой практически не зависят от того, одинаковые или разные элементы свариваются, если разница в составе мала. Все распределения в данном случае совпадают с характерными для одноимённых металлов.

4. При сварке разноимённых материалов с медной основой наблюдается нелинейная зависимость концентрации от глубины. Самый верхний приповерхностный слой толщиной 100–300 мкм сильно обогащён легирующими элементами. В случае шва медь-манганин это никель и марганец. Причём их содержание в слое увеличено в 4 раза относительно максимального содержания в свариваемых материалах.

Полученные результаты позволяют предположить следующие рекомендации. В зависимости от желаемых свойств и применения детали со сварными швами следует варьировать скорость лазерной сварки, чтобы получить обеднённую или обогащённую разными элементами зону шва. При газовой сварке с той же целью следует избирательно подходить к выбору сварной газовой смеси, т. к. разные температурные режимы способствуют различной миграции примесей. Хотя объёмная доля обогащённого слоя при сварке разноимённых металлов составляет не более 15%, вероятно, следует применять поддув защитным газом при сварке, чтобы уменьшить содержание сконцентрированных химических соединений (оксидов, сульфидов, карбидов и пр.), фиксирующих элементы в этой зоне. При небольшой разнице в составе свариваемых металлов шов можно рассматривать по модели одноимённых металлов.

Все рассмотренные изменения элементного состава шва как внутри самого шва, так и в сравнении с базовым материалом, влияет на эксплуатационные свойства полученной конфигурации: пластичность, твердость, электро- и теплопроводность, — поэтому следует учитывать возможность изменения состава сварного шва при разработке приборов, предназначенных для функционирования в экстремальных условиях. При невозможности выбрать режим изготовления сварного шва следует, руководствуясь информацией о процессе сварки, учитывать перераспределение элементов. Детали со швами в сталях, например, сделанными лазером на высокой скорости, можно смело применять в условиях коррозийной опасности, но с осторожностью в условиях термонестабильности и при перегибах. Детали со сварными швами разнородных элементов следует проектировать с учётом вероятности повышенной электропроводности поверхности.

Все исследованные образцы сварных швов применяются в реальных приборах, поэтому результаты исследований представляют практическую ценность.

А. В. Конюшин, Е. Л. Сурменко 
НПФ «Прибор-Т» СГТУ имени Ю. А. Гагарина 

Литература.

1. Applications of direct atomic laser spectral analysis of laser plasma for determination of inorganic component presence in biological objects/Kriger A. E., Surmenko E. L., Surmenko L. A., Tuchin V. V.//Proc. SPIE, Bellingham, SPIE, 1999. — V.4001. — P. 299–303.