Spawanie laserowe stopów aluminium

 

Technologia laserowa charakteryzuje się niewielkim dopływem ciepła spawania, niewielkim wpływem na obszar nagrzewania spawania i niełatwą do odkształcenia, dlatego poświęcono jej szczególną uwagę w dziedzinie spawania stopów aluminium. Jednakże, ze względu na charakterystykę przetwarzania stopu aluminium, podczas spawania laserowego stopu aluminium występują pewne trudności spawalnicze. Jak rozwiązać te problemy?

 

Pytanie 1: Stop aluminium ma niski współczynnik absorpcji lasera.
Problem ten wynika głównie z problemu materiałów ze stopów aluminium. Ze względu na wysoki współczynnik odbicia początkowego i wysoką przewodność cieplną stopu aluminium w stosunku do wiązki lasera, stop aluminium charakteryzuje się niskim współczynnikiem absorpcji wiązki lasera przed stopieniem. Stop aluminium ma silny efekt odbicia światła laserowego. Dzieje się tak ze względu na dużą gęstość wolnych elektronów wewnątrz stopu aluminium w stanie stałym, które z łatwością oddziałują z fotonami w wiązce i odbijają energię. Badania pokazują, że współczynnik odbicia stopu aluminium od lasera gazowego CO2 wynosi aż 90%, a współczynnik odbicia od lasera stałego jest również bliski 80%. Jednocześnie stop aluminium ma dużą przewodność cieplną, co skutkuje bardzo niskim współczynnikiem absorpcji światła laserowego przez stop aluminium. Dlatego należy podjąć odpowiednie środki w celu poprawy współczynnika absorpcji lasera przez stopy aluminium.

 

Aby rozwiązać ten problem, rozwiązania obejmują głównie następujące aspekty:
1. Wstępna obróbka powierzchni materiałów ze stopów aluminium. Stopy aluminium mają wysoką reakcję lasera. Wykonaj odpowiednią obróbkę wstępną powierzchni stopu aluminium, taką jak anodowanie, polerowanie elektrolityczne, piaskowanie, piaskowanie itp. Może to znacznie poprawić absorpcję energii promieniowania przez powierzchnię. Badania wykazały, że tendencja do krystalizacji stopów aluminium po usunięciu warstwy tlenkowej jest większa niż w przypadku pierwotnych stopów aluminium. Aby nie uszkodzić wykończenia powierzchni stopu aluminium i uprościć proces spawania laserowego, proces spawania można wykorzystać do podniesienia temperatury powierzchni przedmiotu obrabianego i zwiększenia szybkości absorpcji lasera przez materiał.

2. Zmniejsz rozmiar plamki i zwiększ gęstość mocy lasera. Absorpcja laserowa stopu aluminium poprawia się poprzez zwiększenie gęstości mocy lasera. Wzrost gęstości mocy lasera spowoduje powstanie efektu otworków w jeziorku spawalniczym, co może znacznie zwiększyć szybkość absorpcji lasera przez materiał.

3. Zmień strukturę spawania, aby wiązka lasera odbijała się wielokrotnie w szczelinie, aby ułatwić spawanie laserowe stopu aluminium. Forma złącza będzie miała wpływ na absorpcję światła lasera. Rowki w kształcie litery V i rowki kwadratowe bardziej sprzyjają tworzeniu się dziurek od klucza niż złącza bez rowków, które zwiększają gęstość mocy lasera i zwiększają współczynnik absorpcji lasera przez stopy aluminium.

 

 

Problem 2:Łatwo powstają pory i gorące pęknięcia. Proces spawania laserowego stopu aluminium jest podatny na pory i gorące pęknięcia.

Porowatość jest najczęstszym i najważniejszym rodzajem wady spawania laserowego stopów aluminium. Typy szparkowe można podzielić na 2 kategorie.

Jednym z nich jest gwałtowny spadek rozpuszczalności wodoru podczas procesu chłodzenia podczas spawania laserowego stopu aluminium. Zawartość wodoru w roztopionym stopie aluminium może osiągnąć {{0}},69 ml/100 g. Zawartość wodoru w stopie aluminium po ochłodzeniu i zestaleniu wynosi 0,036 ml/100 g, co oznacza, że ​​jest on przesycony. Wodór wytrąca się, tworząc pory wodorowe. Ponadto na powierzchni stopu aluminium znajduje się warstwa tlenku. Podczas spawania krystaliczna woda na powierzchni stopu aluminium, wilgoć w powietrzu i gaz ochronny ulegają bezpośredniemu rozkładowi na wodór. Te pory wodorowe nie mają czasu na ucieczkę podczas szybkiego procesu chłodzenia podczas spawania laserowego stopu aluminium, ale pozostają w spoinie, tworząc pory wodorowe.

 

Drugi rodzaj to dziurka powstająca, ponieważ dziurka od klucza powstająca w procesie spawania laserowego jest niestabilna i zapada się, a ciekły metal nie ma czasu jej wypełnić. Nadmierne pory zmniejszą gęstość spoiny, zmniejszą nośność złącza oraz w różnym stopniu zmniejszą wytrzymałość i plastyczność złącza.

 

Istnieje wiele środków mających na celu redukcję defektów porów w spawaniu laserowym stopów aluminium, takich jak zmiana trajektorii wiązki laserowej, wykorzystanie oscylacji wiązki do mieszania roztopionego jeziorka, zwiększenie możliwości wydostawania się porów z powierzchni, zastosowanie wypełnienia drutem lub proszku stopowego, oraz Środki takie jak technologia dual-spot i laserowe spawanie hybrydowe mogą osiągnąć efekt zmniejszenia porów, ale trudno je zasadniczo wyeliminować. Aluminium ma stosunkowo dobrą przewodność cieplną, a kształt fali mocy lasera można regulować podczas procesu spawania w zależności od materiału, grubości i stanu powierzchni stopu aluminium. Jak pokazano na rysunku, spawanie można przeprowadzić metodą fali z przednią końcówką lub spawanie metodą falową z przednim podgrzewaniem wstępnym, a następnie utrwalaniem ciepła, przy czym oba te sposoby odgrywają pewną rolę w zmniejszaniu punktów wybuchu i porów. Może zmniejszyć niestabilne zapadanie się porów, zmienić kąt naświetlania wiązki laserowej i zastosować pole magnetyczne podczas spawania. Może również skutecznie kontrolować pory powstałe podczas procesu spawania.

 

Przyczyna pęknięć na gorąco podczas spawania laserowego stopów aluminium jest głównie związana z jego własną charakterystyką i procesem spawania. Gdy stop aluminium krzepnie, stopień skurczu jest duży (do 5%), naprężenia spawalnicze i odkształcenia są duże, a metal spoiny wytworzy strukturę eutektyczną o niskiej temperaturze topnienia wzdłuż granic ziaren podczas krystalizacji, co osłabia granicę ziaren siłę wiązania i odgrywa rolę w naprężeniu rozciągającym. Poniżej tworzą się pęknięcia termiczne.

Skłonność do pęknięć na gorąco można zmniejszyć poprzez wypełnienie drutem lub proszkiem stopowym. Tendencję do pęknięć na gorąco można również zmniejszyć, dostosowując parametry procesu spawania, aby kontrolować prędkość nagrzewania i chłodzenia. Podczas korzystania z laserów YAG dopływ ciepła można kontrolować, dostosowując kształt fali impulsowej, aby zmniejszyć pęknięcia kryształów.

 

 

Problem 3:Właściwości mechaniczne złącza spawanego są zmniejszone - zmiękczone.

 

Straty podczas spalania pierwiastków stopowych podczas procesu spawania zmniejszają właściwości mechaniczne połączeń spawanych stopów aluminium.

 

„Zmiękczenie” to zmniejszenie wytrzymałości i twardości złącza spawanego. Kiedy stosuje się spawanie laserowe złączy ze stopów aluminium, struktura spoiny i strefa wpływu ciepła złącza spawanego również mają problemy ze mięknięciem. Duża liczba badań wykazała, że ​​zjawisko mięknięcia podczas spawania stopów aluminium jest trudne do zasadniczego wyeliminowania. Jednak w porównaniu ze spawaniem w osłonie gazu, spawanie laserowe zmniejsza dopływ ciepła i powoduje węższą strefę mięknienia spoiny. W porównaniu ze spawaniem łukiem gazowym stopów aluminium, stopień „zmiękczenia” złączy spawanych laserowo jest niższy, a wytrzymałość na rozciąganie wzrasta wraz ze wzrostem prędkości spawania. Wpływ plazmy na proces spawania Energia jonizacji elementu aluminiowego jest niska. Podczas spawania laserowego łatwiej jest formować plazmę metalową. Plazma powoduje załamanie i odchylenie lasera, zmieniając w ten sposób położenie ogniska wiązki laserowej, zmniejszając współczynnik wtopienia spoiny i wpływając na jakość złącza spawanego. Metoda wstępnego pozycjonowania proszku na powierzchni przedmiotu obrabianego służy do osłabienia skoku ekspansji plazmy w kierunku wysokości, tak aby plazma mogła utrzymać stosunkowo stabilną amplitudę skoku na powierzchni przedmiotu obrabianego.

 

Niestabilne pory podczas procesu spawania stopów aluminium prowadzą do pogorszenia właściwości mechanicznych złączy spawanych. Stopy aluminium obejmują głównie Zn, Mg i Al. Podczas spawania aluminium ma wyższą temperaturę wrzenia niż pozostałe dwa pierwiastki. Dlatego podczas spawania elementów ze stopu aluminium można dodać pewne pierwiastki stopowe o niskiej temperaturze wrzenia, co jest korzystne dla tworzenia się małych otworów i trwałości spoiny.

 

1. Spawanie laserowe stopu aluminium metodą samooporową
Laserowe spawanie autogeniczne odnosi się do metody spawania, w której jako źródło ciepła wykorzystuje się wiązkę lasera o dużej gęstości energii, która uderza w powierzchnię materiału podstawowego, powodując stopienie się materiału podstawowego i utworzenie złącza spawanego. W przypadku spawania laserowego stopu aluminium powierzchnia stopu aluminium ma wysoki współczynnik odbicia lasera, co wymaga dużej mocy lasera podczas spawania; średnica plamki lasera jest mała, wymagania dotyczące precyzji oprzyrządowania spawalniczego są wysokie, a tolerancja przerw między częściami jest niska, co zwykle wymaga części. Wartość szczeliny jest poniżej 0,2 mm; prędkość nagrzewania i chłodzenia jest duża podczas procesu spawania, występuje wiele defektów porów spawalniczych, gęstość energii lasera jest skoncentrowana, a efekt dziurki od klucza może łatwo prowadzić do wklęsłych i podciętych spoin. Dlatego parametry procesu spawania mają wyższe wymagania. Spawanie laserowe autogeniczne ma zalety dobrej jakości spawania, dużej prędkości spawania i łatwej automatyzacji spawania stopów aluminium i jest szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. W przemyśle pojazdów elektrycznych spawanie laserowe stopu aluminium metodą samooporową stosuje się głównie do uszczelniania obudowy akumulatora. W aluminiowym nadwoziu krajowego producenta pojazdów nowej energii do spawania zespołów drzwi i paneli bocznych wykorzystuje się również spawanie laserowe ze stopu aluminium.

 

2. Spawanie laserowym drutem wypełniającym ze stopu aluminium
Podczas spawania laserowego drutem dodatkowym laser nadal służy jako główne źródło ciepła do topienia spawanego metalu, ale automatyczne urządzenie do podawania drutu służy do ciągłego podawania metalu dodatkowego do roztopionego jeziorka w celu uzyskania metalurgicznego procesu połączenia. W porównaniu z laserowym spawaniem autogenicznym, spawanie laserowe drutem wypełniającym zmniejsza wymagania dotyczące dokładności szczeliny w procesie spawania. Wypełniając druty spawalnicze różnymi składnikami, poprawia właściwości metalurgiczne spoiny, zapobiega pęknięciom i porom na gorąco, poprawia stabilność procesu spawania. właściwości i właściwości mechaniczne połączeń.

 

Spawanie laserowe drutem wypełniającym ze stopu aluminium charakteryzuje się dobrą jakością wyglądu i mniejszą dokładnością szczeliny procesowej niż laserowe spawanie autogeniczne. Zwykle stosuje się go na zewnętrznych powierzchniach karoserii, np. pomiędzy górną pokrywą a panelami bocznymi oraz pomiędzy górnym i dolnym panelem zewnętrznym pokrywy bagażnika. Istnieją również modele, które wykorzystują spawanie laserowe drutem wypełniającym do spawania drzwi ze stopu aluminium w celu uzyskania wyższej jakości spawania.

 

3. Spawanie hybrydowe stopu aluminium za pomocą łuku laserowego
Spawanie hybrydowe laserowo-łukowe łączy w sobie dwa źródła ciepła, laser i łuk, o zupełnie różnych właściwościach fizycznych i mechanizmach przenoszenia energii, i współpracuje ze sobą na spawanym przedmiocie. Nie tylko w pełni wykorzystuje zalety obu źródeł ciepła, ale także się uzupełnia. niedociągnięcia. W hybrydowym spawaniu stopów aluminium łukiem laserowym łuk może kierować laserowym źródłem ciepła, poprawiać zdolność absorpcji lasera przez stop aluminium i wykorzystanie energii podczas procesu spawania, a odkształcalność powierzchni spoiny jest lepsza niż w przypadku lasera spawanie autogeniczne. Ponadto wprowadzenie łuku może znacznie zmniejszyć dokładność mocowania przedmiotu spawanego. Jednocześnie łuk ma działanie rozcieńczające plazmę spawania laserowego, co może zmniejszyć efekt ekranowania plazmy na laserze. Laser odgrywa ważną rolę w stabilności łuku, dzięki czemu łuk może stabilnie oddziaływać na złącze podczas spawania z dużą prędkością, co może poprawić jakość spawania złącza i zwiększyć prędkość spawania.

 

 

 

Wniosek
Gęstość energii wiązki spawania laserowego ze stopu aluminium może osiągnąć 109 W/cm2. Ma również zalety skoncentrowanego ogrzewania, małych uszkodzeń termicznych, dużego stosunku głębokości do szerokości spoiny i małych odkształceń spawalniczych. Proces spawania jest łatwy do zintegrowania, zautomatyzowany i elastyczny, a także pozwala osiągnąć dużą prędkość i dużą prędkość. Spawanie precyzyjne, a proces spawania nie wymaga środowiska próżniowego i nie wytwarza promieniowania rentgenowskiego. Nadaje się szczególnie do precyzyjnego spawania skomplikowanych konstrukcji. Najbardziej atrakcyjną cechą spawania laserowego stopów aluminium jest jego wysoka wydajność. Aby w pełni wykorzystać tę wysoką wydajność, należy ją zastosować do głębokiego spawania o dużej grubości. Dlatego badania i zastosowanie lasera dużej mocy do spawania głębokiego o dużej grubości będą nieuniknionym trendem w przyszłym rozwoju. Spawanie z głęboką penetracją dużych grubości uwypukla zjawisko otworków i jego wpływ na porowatość spoiny. Dlatego też mechanizm powstawania i kontrola porów stają się coraz bardziej powszechne i staną się gorącym tematem budzącym powszechne obawy i badania w branży.

 

Poprawa stabilności, formowania spoin spawalniczych i jakości spawania w procesie spawania laserowego jest celem, do którego dążą ludzie. Dlatego nowe technologie, takie jak technologia kompozytu łukiem laserowym, spawanie laserowe drutem dodatkowym, spawanie laserem proszkowym bez ustawień wstępnych, technologia podwójnego ogniskowania i kształtowanie wiązki, będą w dalszym ciągu udoskonalane i rozwijane.