Лазерная сварка алюминиевых сплавов

 

Лазерная технология имеет характеристики небольшого подвода тепла при сварке, небольшого влияния на зону нагрева при сварке и ее нелегко деформировать, поэтому ей уделяется особое внимание в области сварки алюминиевых сплавов. Однако из-за особенностей обработки алюминиевого сплава при лазерной сварке алюминиевого сплава возникают некоторые трудности. Как решить эти проблемы?

 

Вопрос 1: Алюминиевый сплав имеет низкую скорость поглощения лазерного излучения.
Эта проблема в основном связана с проблемой материалов из алюминиевых сплавов. Благодаря высокой начальной отражательной способности и высокой теплопроводности алюминиевого сплава лазерному лучу, алюминиевый сплав имеет низкую скорость поглощения лазерного луча перед плавлением. Алюминиевый сплав обладает сильным эффектом отражения лазерного света. Это связано с высокой плотностью свободных электронов внутри алюминиевого сплава в твердом состоянии, которые легко взаимодействуют с фотонами пучка и отражают энергию. Исследования показывают, что коэффициент отражения алюминиевого сплава для газового CO2-лазера достигает 90%, а коэффициент отражения для твердотельного лазера также близок к 80%. В то же время алюминиевый сплав обладает высокой теплопроводностью, что приводит к очень низкой скорости поглощения лазерного света алюминиевым сплавом. Поэтому необходимо принять соответствующие меры для повышения скорости лазерного поглощения алюминиевых сплавов.

 

Для решения этой проблемы решения в основном включают следующие аспекты:
1. Предварительная обработка поверхности материалов из алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы обладают высокой чувствительностью к лазеру. Выполните соответствующую предварительную обработку поверхности алюминиевого сплава, такую ​​как анодирование, электролитическая полировка, пескоструйная обработка, пескоструйная обработка и т. д. Это может значительно улучшить поглощение поверхности лучистой энергии. Исследования показали, что склонность алюминиевых сплавов к кристаллизации после удаления оксидной пленки выше, чем у исходных алюминиевых сплавов. Чтобы не повредить поверхность алюминиевого сплава и упростить процесс лазерной сварки, процесс сварки можно использовать для повышения температуры поверхности заготовки и увеличения скорости поглощения лазера материалом.

2. Уменьшите размер пятна и увеличьте плотность мощности лазера. Лазерное поглощение алюминиевого сплава улучшается за счет увеличения плотности мощности лазера. Увеличение плотности мощности лазера приведет к образованию точечного эффекта в ванне сварочного расплава, что может значительно увеличить скорость лазерного поглощения материала.

3. Измените структуру сварки, чтобы лазерный луч несколько раз отражался в зазоре, чтобы облегчить лазерную сварку алюминиевого сплава. Форма сустава влияет на поглощение лазерного света. V-образные канавки и квадратные канавки более способствуют образованию замочных скважин, чем соединения без канавок, что увеличивает плотность мощности лазера и увеличивает скорость лазерного поглощения алюминиевых сплавов.

 

 

Проблема 2:Легко образовать поры и горячие трещины. Процесс лазерной сварки алюминиевого сплава склонен к образованию пор и горячих трещин.

Пористость — наиболее распространенный и важнейший вид дефекта при лазерной сварке алюминиевых сплавов. Типы устьиц можно разделить на 2 категории.

Одна из них связана с резким снижением растворимости водорода в процессе охлаждения при лазерной сварке алюминиевых сплавов. Содержание водорода в расплавленном алюминиевом сплаве может достигать {{0}},69 мл/100 г. Содержание водорода в алюминиевом сплаве после охлаждения и затвердевания составляет 0,036 мл/100 г, что соответствует пересыщению. Водород выпадает в осадок с образованием водородных пор. Кроме того, на поверхности алюминиевого сплава имеется оксидная пленка. Во время сварки кристаллическая вода на поверхности алюминиевого сплава, влага воздуха и защитный газ непосредственно разлагаются на водород. Эти водородные поры не успевают выйти во время процесса быстрого охлаждения при лазерной сварке алюминиевого сплава, а остаются в сварном шве, образуя водородные поры.

 

Другой тип – это отверстие, образующееся из-за того, что замочная скважина, образовавшаяся в процессе лазерной сварки, нестабильна и разрушается, и жидкий металл не успевает ее заполнить. Избыточные поры уменьшают плотность сварного шва, уменьшают несущую способность соединения, в разной степени снижают прочность и пластичность соединения.

 

Существует множество мер по уменьшению дефектов пор при лазерной сварке алюминиевых сплавов, таких как изменение траектории лазерного луча, использование колебаний луча для перемешивания ванны расплава, увеличение возможности выхода пор с поверхности, использование проволоки или порошка сплава, и такие меры, как двухточечная технология и лазерная гибридная сварка, могут добиться эффекта уменьшения пор, но их трудно полностью устранить. Алюминий имеет относительно хорошую теплопроводность, а форму волны мощности лазера можно регулировать в процессе сварки в зависимости от материала, толщины и состояния поверхности алюминиевого сплава. Как показано на рисунке, сварка может осуществляться с использованием типа передней концевой волны или сварка может осуществляться с использованием типа волны с предварительным подогревом фронта и последующим сохранением тепла, оба из которых играют определенную роль в уменьшении температуры взрыва и пор. Он может уменьшить нестабильное схлопывание пор, изменить угол облучения лазерного луча и применить магнитное поле во время сварки. Он также может эффективно контролировать поры, образующиеся в процессе сварки.

 

Причина появления горячих трещин при лазерной сварке алюминиевого сплава в основном связана с его собственными характеристиками и процессом сварки. При затвердевании алюминиевого сплава степень усадки велика (до 5%), сварочное напряжение и деформация велики, а металл сварного шва во время кристаллизации образует эвтектическую структуру с низкой температурой плавления вдоль границ зерен, что ослабляет границы зерен. сила сцепления и играет роль в растягивающем напряжении. Внизу образуются термические трещины.

Склонность к образованию горячих трещин можно уменьшить, заполнив проволоку или порошок сплава. Склонность к образованию горячих трещин также можно уменьшить, регулируя параметры процесса сварки для контроля скорости нагрева и охлаждения. При использовании YAG-лазеров подвод тепла можно контролировать, регулируя форму импульсного сигнала, чтобы уменьшить образование трещин в кристалле.

 

 

Проблема 3:Механические свойства сварного звена снижаются – размягчаются.

 

Потери от сгорания легирующих элементов в процессе сварки снижают механические свойства сварных соединений алюминиевых сплавов.

 

«Размягчение» — снижение прочности и твердости сварного соединения. При использовании лазерной сварки соединений алюминиевых сплавов структура сварного шва и зона термического влияния сварного соединения также имеют проблемы с размягчением. Большое количество исследований показало, что явление разупрочнения при сварке алюминиевых сплавов трудно устранить принципиально. Однако по сравнению со сваркой в ​​защитных газах лазерная сварка снижает погонную энергию и сужает зону размягчения сварного шва. По сравнению с газометаллодуговой сваркой лазерной сваркой алюминиевых сплавов степень «размягчения» лазерных сварных соединений ниже, а предел прочности увеличивается с увеличением скорости сварки. Влияние плазмы на процесс сварки. Энергия ионизации алюминиевого элемента невелика. При лазерной сварке легче сформировать металлическую плазму. Плазма вызывает преломление и отклонение лазера, тем самым изменяя положение фокуса лазерного луча, уменьшая степень проплавления сварного шва и влияя на качество сварного соединения. Метод предварительного позиционирования порошка на поверхности заготовки используется для ослабления скачка расширения плазмы в направлении высоты, чтобы плазма могла сохранять относительно стабильную амплитуду скачка на поверхности заготовки.

 

Нестабильные поры в процессе сварки алюминиевых сплавов приводят к снижению механических свойств сварных соединений. Алюминиевые сплавы в основном включают Zn, Mg и Al. Во время сварки алюминий имеет более высокую температуру кипения, чем два других элемента. Таким образом, при сварке компонентов из алюминиевых сплавов можно добавлять некоторые легирующие элементы с низкой температурой кипения, что способствует образованию небольших отверстий и повышению прочности сварки.

 

1. Лазерная сварка алюминиевого сплава самоплавлением.
Лазерная автогенная сварка — это метод сварки, в котором лазерный луч высокой плотности используется в качестве источника тепла для воздействия на поверхность основного материала, в результате чего основной материал расплавляется с образованием сварного соединения. При лазерной сварке алюминиевых сплавов поверхность алюминиевого сплава имеет высокую отражательную способность лазера, что требует большой мощности лазера во время сварки; диаметр лазерного пятна невелик, требования к точности сварочного инструмента высоки, а допуск на зазоры деталей низкий, что обычно требует, чтобы детали Значение зазора было ниже 0,2 мм; Скорость нагрева и охлаждения в процессе сварки высокая, имеется много дефектов сварочных пор, плотность лазерной энергии концентрируется, а эффект замочной скважины может легко привести к вогнутым и подрезанным сварным швам. Поэтому к параметрам сварочного процесса предъявляются более высокие требования. Лазерная автогенная сварка обладает преимуществами хорошего качества сварки, высокой скорости сварки и простоты автоматизации сварки алюминиевых сплавов и широко используется в автомобильной промышленности. В производстве электромобилей для герметизации корпуса силового аккумулятора в основном используется лазерная самосварка алюминиевых сплавов. В алюминиевом кузове отечественной компании, производящей автомобили на новых источниках энергии, при сварке дверных узлов и боковых панелей также используется лазерная самосварка алюминиевых сплавов.

 

2. Лазерная сварка присадочной проволокой из алюминиевого сплава.
При лазерной сварке присадочной проволокой лазер по-прежнему служит основным источником тепла для плавления свариваемого металла, но используется автоматическое устройство подачи проволоки для непрерывной подачи присадочного металла в ванну расплава для осуществления процесса металлургического соединения. По сравнению с лазерной автогенной сваркой, лазерная сварка с заполнением снижает требования к точности зазора в процессе сварки. Наполняя сварочные проволоки различными компонентами, он улучшает металлургические свойства сварного шва, предотвращает заварку горячих трещин и пор, повышает стабильность сварочного процесса. свойства и механические свойства соединений.

 

Лазерная насадочная сварка алюминиевых сплавов отличается хорошим внешним видом и меньшей точностью технологического зазора, чем лазерная автогенная сварка. Обычно он используется на внешних поверхностях кузова автомобиля, например, между верхней крышкой и боковыми панелями, а также между верхней и нижней внешними панелями крышки багажника. Есть также некоторые модели, в которых для сварки дверей из алюминиевого сплава используется лазерная присадочная проволока, чтобы получить более высокое качество сварки.

 

3. Лазерно-дуговая гибридная сварка алюминиевых сплавов.
Лазерно-дуговая гибридная сварка сочетает в себе два источника тепла, лазер и дугу, с совершенно разными физическими свойствами и механизмами передачи энергии, и работает вместе на свариваемой детали. Он не только полностью раскрывает преимущества двух источников тепла, но и дополняет друг друга. недостатки. При гибридной лазерно-дуговой сварке алюминиевых сплавов дуга может направлять источник лазерного тепла, улучшать способность алюминиевого сплава поглощать лазерное излучение и использовать энергию в процессе сварки, а формуемость поверхности сварного шва лучше, чем у лазера. автогенная сварка. Кроме того, введение дуги может значительно снизить точность зажима сварочной заготовки. В то же время дуга оказывает разжижающее действие на плазму лазерной сварки, что позволяет снизить экранирующее действие плазмы на лазер. Лазер играет важную роль в стабильности дуги, благодаря чему дуга может стабильно воздействовать на соединение во время высокоскоростной сварки, что может улучшить качество сварки соединения и увеличить скорость сварки.

 

 

 

Заключение
Плотность энергии луча лазерной сварки алюминиевого сплава может достигать 109 Вт/см2. Он также обладает преимуществами концентрированного нагрева, небольшого термического повреждения, большого отношения глубины сварного шва к ширине и небольшой сварочной деформации. Процесс сварки легко интегрируется, автоматизируется и является гибким, а также может достигать высокой скорости и скорости. Сварка прецизионная, процесс сварки не требует вакуумной среды и не производит рентгеновское излучение. Он особенно подходит для высокоточной сварки сложных конструкций. Наиболее привлекательной особенностью лазерной сварки алюминиевых сплавов является ее высокая эффективность. Чтобы в полной мере реализовать эту высокую эффективность, ее необходимо применять при глубокой сварке большой толщины. Поэтому исследование и применение мощного лазера для сварки с глубоким проплавлением большой толщины станет неизбежной тенденцией в будущем развитии. Сварка большой толщины с глубоким проплавлением подчеркивает явление точечных отверстий и его влияние на пористость сварного шва. Таким образом, механизм образования и контроль точечных отверстий становятся все более распространенными и станут горячей проблемой, вызывающей всеобщее беспокойство и исследования в отрасли.

 

Улучшение стабильности, формирования сварочного шва и качества сварки процесса лазерной сварки — цель, которую преследуют люди. Поэтому новые технологии, такие как лазерно-дуговая композитная технология, лазерная сварка присадочной проволокой, порошковая лазерная сварка без предварительной настройки, технология двойного фокуса и формирование луча, будут и дальше совершенствоваться и развиваться.