Лазерная сварка является современным и эффективным способом соединения металлических материалов, в том числе сталей различных классов. Специфику лазерной сварки составляют чрезвычайно высокие скорости нагрева и охлаждения в узкой зоне локального взаимодействия лазерного луча и свариваемого металла. В этих условиях становится невозможным применение общепринятых представлений о закономерностях формировании структуры и свойств сварного соединения, а значит, и прогнозирование надежности сварного соединения. Так, при лазерной сварке конструкционных сталей резкое изменение условий нагрева до температур расплавления и последующего быстрого охлаждения приводит к образованию в структуре шва хрупких игольчатых структур, известных как структура Видманштетта. У стали с такой структурой снижаются прочностные свойства и пластичность, что является одной из основных причин, сдерживающих широкое внедрение лазерной технологии сварки в ведущих отраслях промышленности, таких как судостроение, авиакосмическое машиностроение, транспортное машиностроение, наиболее широко использующих технологии сварки конструкционной стали.

Решение этой задачи потребовало поиска таких методов внешнего воздействия на кристаллизационные процессы в ванне расплава при лазерной сварке, которые позволили бы компенсировать снижение прочностных свойств сварного шва за счет подавления роста пластин видманштеттова феррита.

Одним из примеров такого решения является способ инокулирования расплава сварочной ванны ультрадисперсными тугоплавкими частицами, дающий возможность контролирования кристаллизационных процессов за счет возникновения большого количества центров кристаллизации в расплаве, что способствует формированию мелкокристаллической структуры сплава при затвердевании. Модификаторы вводятся в сварочную ванну путем предварительного нанесения их в виде суспензий на свариваемые кромки. Основной сдерживающей причиной широкого использования этого способа в промышленности является высокая стоимость модификаторов, что экономически неоправданно при сварке больших объемов сталей конструкционного назначения.

Вместе с тем известно положительное влияние ультразвука на структуру и свойства сварных и паяных соединений. Под действием колебаний высокой частоты отмечается измельчение элементов дендритной структуры, уменьшение остаточных напряжений. Однако существующие приемы подвода ультразвука в сварочную ванну неприменимы для технологии лазерной сварки из-за малой продолжительности процесса расплавления и затвердевания металла.

Томские ученые разработали интеллектуальную технологию лазерной сварки с ультразвуковым воздействием. Суть метода заключается в наложении ультразвукового воздействия на свариваемые детали в процессе лазерной сварки, что обеспечило значительные изменения в морфологии микроструктуры всех участков сварного соединения.

Для ультразвуковой обработки сварного шва был разработан и изготовлен блок ультразвукового воздействия. В его состав входит генератор, продуцирующий и передающий ультразвуковые колебания на магнитострикционный преобразователь, который помещен в корпус с жидкостным охлаждением и соединен с волноводом. Волновод устанавливается и фиксируется на заготовке материала для передачи ультразвуковых колебаний.

Непосредственным результатом ультразвукового воздействия следует считать устранение видманштеттовых структур, формирование ультрамелкозернистой структуры и снижение пористости в сварном шве, что является благоприятным фактором, положительно влияющим на прочность сварного соединения.

Таким образом, применение ультразвукового воздействия на сварочную ванну позволяет решить задачу получения однородной конечной структуры при сверхбыстром нагреве и охлаждении конструкционных сталей с резко дифференцированными структурными составляющими.

Способ лазерной сварки с ультразвуковым воздействием и устройство для реализации этого процесса защищены патентом РФ (R2 2704 874 C1), а разработанная в ИФПМ СО РАН технология лазерной сварки конструкционных сталей успешно применяется на предприятии ЗАО «Чебоксарское предприятие “Сеспель”» при сварке крупногабаритных танк-контейнеров для перевозки сжиженного газа и опасных химических грузов.