Laserové svařování slitin hliníku

 

Laserová technologie má vlastnosti malého příkonu svařovacího tepla, malého vlivu na svařovací topnou plochu a není snadné ji deformovat, proto jí byla věnována zvláštní pozornost v oblasti svařování hliníkových slitin. Vzhledem ke zpracovatelským charakteristikám hliníkové slitiny však existují určité potíže se svařováním při laserovém svařování hliníkové slitiny. Jak tyto problémy vyřešit?

 

Otázka 1: Hliníková slitina má nízkou míru absorpce laseru.
Tento problém je způsoben především problémem materiálů z hliníkových slitin. Vzhledem k vysoké počáteční odrazivosti a vysoké tepelné vodivosti hliníkové slitiny k laserovému paprsku má hliníková slitina nízkou míru absorpce laserového paprsku před roztavením. Hliníková slitina má silný odrazový efekt na laserovém světle. To je způsobeno vysokou hustotou volných elektronů uvnitř hliníkové slitiny v pevném stavu, které snadno interagují s fotony v paprsku a odrážejí energii. Výzkum ukazuje, že odrazivost hliníkové slitiny vůči plynovému CO2 laseru je až 90 % a odrazivost vůči pevnému laseru se také blíží 80 %. Hliníková slitina má zároveň silnou tepelnou vodivost, což má za následek velmi nízkou míru absorpce hliníkové slitiny pro laserové světlo. Proto je třeba přijmout vhodná opatření ke zlepšení rychlosti absorpce laseru hliníkovými slitinami.

 

Řešení tohoto problému zahrnují zejména následující aspekty:
1. Povrchová předúprava materiálů z hliníkových slitin. Hliníkové slitiny mají vysokou laserovou odezvu. Na povrchu hliníkové slitiny proveďte vhodnou předúpravu, jako je eloxování, elektrolytické leštění, pískování, pískování atd. Může výrazně zlepšit absorpci zářivé energie povrchu. Studie ukázaly, že tendence ke krystalizaci hliníkových slitin po odstranění oxidového filmu je vyšší než u původních hliníkových slitin. Aby nedošlo k poškození povrchové úpravy hliníkové slitiny a zjednodušení procesu laserového svařování, lze proces svařování použít ke zvýšení povrchové teploty obrobku a zvýšení rychlosti absorpce laseru materiálu.

2. Zmenšete velikost bodu a zvyšte hustotu výkonu laseru. Laserová absorpce hliníkové slitiny je zlepšena zvýšením hustoty výkonu laseru. Zvýšení hustoty výkonu laseru způsobí v roztavené lázni svařování dírkový efekt, který může výrazně zvýšit míru absorpce laseru materiálem.

3. Změňte svařovací strukturu tak, aby se laserový paprsek odrážel vícekrát v mezeře, aby se usnadnilo laserové svařování hliníkové slitiny. Forma kloubu ovlivní absorpci laserového světla. Drážky ve tvaru V a čtvercové drážky jsou příznivější pro vytváření klíčových dírek než spoje bez drážek, což zvyšuje hustotu výkonu laseru a zvyšuje míru absorpce laseru hliníkovými slitinami.

 

 

Problém 2:Je snadné vytvářet póry a horké trhliny. Proces laserového svařování hliníkové slitiny je náchylný k pórům a horkým trhlinám.

Pórovitost je nejčastějším a nejdůležitějším typem vady při laserovém svařování hliníkových slitin. Stomatální typy lze rozdělit do 2 kategorií.

Jedním z nich je prudký pokles rozpustnosti vodíku během chladícího procesu laserového svařování hliníkové slitiny. Obsah vodíku v roztavené hliníkové slitině může dosáhnout {{0}},69 ml/100 g. Obsah vodíku v hliníkové slitině po ochlazení a ztuhnutí je 0,036 ml/100 g, která je přesycená. Vodík se vysráží a vytvoří vodíkové póry. Kromě toho je na povrchu hliníkové slitiny oxidový film. Při svařování se krystalická voda na povrchu hliníkové slitiny, vlhkost ve vzduchu a ochranný plyn přímo rozkládají na vodík. Tyto vodíkové póry nemají čas uniknout během procesu rychlého ochlazování laserového svařování hliníkové slitiny, ale zůstávají ve svaru a vytvářejí vodíkové póry.

 

Druhým typem je díra vytvořená, protože klíčová dírka vytvořená během procesu laserového svařování je nestabilní a zhroutí se a tekutý kov nemá čas ji vyplnit. Nadměrné póry sníží hustotu svaru, sníží nosnost spoje a v různé míře sníží pevnost a plasticitu spoje.

 

Existuje mnoho opatření ke snížení defektů pórů při laserovém svařování hliníkové slitiny, jako je změna trajektorie laserového paprsku, použití oscilace paprsku k promíchání roztavené lázně, zvýšení možnosti úniku pórů z povrchu, použití drátové výplně nebo slitinového prášku, a Opatření jako technologie dual-spot a laserové hybridní svařování mohou dosáhnout efektu redukce pórů, ale je obtížné je zásadně odstranit. Hliník má relativně dobrou tepelnou vodivost a tvar vlny výkonu laseru lze během procesu svařování upravit podle materiálu, tloušťky a stavu povrchu hliníkové slitiny. Jak je znázorněno na obrázku, svařování lze provádět pomocí vlnového typu s přední špičkou nebo lze svařování provádět pomocí vlnového typu s předním předehřevem a následným uchováním tepla, což obojí hraje určitou roli při snižování bodů výbuchu a pórů. Může snížit nestabilní kolaps pórů, změnit úhel vyzařování laserového paprsku a aplikovat magnetické pole během svařování. Může také účinně kontrolovat póry generované během procesu svařování.

 

Příčina vzniku trhlin za tepla při laserovém svařování hliníkové slitiny souvisí především s jejími vlastnostmi a procesem svařování. Když hliníková slitina ztuhne, je rychlost smrštění velká (až 5 %), svařovací napětí a deformace jsou velké a svarový kov vytvoří eutektickou strukturu s nízkou teplotou tání podél hranic zrn během krystalizace, což oslabí hranici zrn. spojovací síla a hraje roli v tahovém napětí. Dole se tvoří tepelné trhliny.

Tendenci vzniku trhlin za horka lze snížit výplňovým drátem nebo slitinovým práškem. Sklon k horkým trhlinám lze také snížit úpravou parametrů svařovacího procesu pro řízení rychlosti ohřevu a chlazení. Při použití YAG laserů lze tepelný příkon řídit úpravou pulsní vlny, aby se snížily krystalové trhliny.

 

 

Problém 3:Mechanické vlastnosti svařovaného článku jsou sníženy - změkčeny.

 

Ztráta spalováním slitinových prvků během procesu svařování snižuje mechanické vlastnosti svarových spojů z hliníkové slitiny.

 

"Změkčení" je snížení pevnosti a tvrdosti svarového spoje. Při použití spojů z hliníkové slitiny laserovým svařováním má struktura svaru a tepelně ovlivněná zóna svarového spoje také problémy s měknutím. Velké množství studií prokázalo, že jev měknutí při svařování hliníkových slitin je obtížné zásadně eliminovat. Ve srovnání se svařováním v ochranné atmosféře však laserové svařování snižuje přívod tepla a zužuje změkčující zónu svaru. Ve srovnání s plynovým obloukovým svařováním hliníkové slitiny laserovým svařováním je stupeň "změknutí" laserových svarových spojů nižší a pevnost v tahu se zvyšuje se zvýšením rychlosti svařování. Vliv plazmy na svařovací proces Ionizační energie hliníkového prvku je nízká. Při laserovém svařování je snazší vytvořit kovové plazma. Plazma způsobuje lom a vychylování laseru, čímž mění polohu ohniska laserového paprsku, snižuje poměr průvaru svarem a ovlivňuje kvalitu svarového spoje. Metoda předpolohování prášku na povrch obrobku slouží k zeslabení expanzního skoku plazmatu ve směru výšky, takže plazma může udržovat relativně stabilní amplitudu skoku na povrchu obrobku.

 

Nestabilní póry při procesu svařování hliníkových slitin vedou ke snížení mechanických vlastností svarových spojů. Mezi slitiny hliníku patří především Zn, Mg a Al. Během svařování má hliník vyšší bod varu než ostatní dva prvky. Proto lze při svařování součástí z hliníkové slitiny přidat některé prvky z nízkovroucích slitin, což je výhodné pro tvorbu malých otvorů a pevnost svařování.

 

1. Laserové samotavné svařování slitiny hliníku
Laserové autogenní svařování označuje metodu svařování, která využívá laserový paprsek s vysokou energetickou hustotou jako zdroj tepla k dopadu na povrch základního materiálu, což způsobuje, že se základní materiál sám roztaví a vytvoří svarový spoj. Pro laserové svařování hliníkové slitiny má povrch hliníkové slitiny vysokou odrazivost laseru, což vyžaduje velký výkon laseru během svařování; průměr laserového bodu je malý, požadavky na přesnost svařovacích nástrojů jsou vysoké a tolerance mezer mezi součástmi je nízká, což obvykle vyžaduje součásti Hodnota mezery je pod 0,2 mm; rychlost ohřevu a chlazení je během procesu svařování vysoká, existuje mnoho defektů svařovacích pórů, hustota energie laseru je koncentrovaná a efekt klíčové dírky může snadno vést ke konkávním a podříznutým svarům. Parametry svařovacího procesu mají proto vyšší požadavky. Laserové autogenní svařování má výhody dobré kvality svařování, vysoké rychlosti svařování a snadné automatizace při svařování hliníkových slitin a je široce používáno v automobilovém průmyslu. V průmyslu elektrických vozidel se laserové samotavné svařování hliníkové slitiny používá hlavně k utěsnění krytu napájecí baterie. V hliníkové karoserii tuzemské společnosti vyrábějící nové energetické vozy se při svařování dveřních sestav a bočních panelů také používá laserové samotavné svařování hliníkové slitiny.

 

2. Svařování laserem z hliníkové slitiny
Při svařování laserovým přídavným drátem laser stále slouží jako hlavní zdroj tepla pro roztavení kovu, který má být svařován, ale pro kontinuální přivádění přídavného kovu do roztavené lázně se používá zařízení pro automatické podávání drátu, aby se dosáhlo procesu metalurgického spojení. Ve srovnání s laserovým autogenním svařováním snižuje svařování laserovým drátem požadavky na přesnost mezer ve svařovacím procesu. Plněním svařovacích drátů různými součástmi zlepšuje metalurgické vlastnosti svaru, zabraňuje svařování horkých trhlin a pórů a zlepšuje stabilitu svařovacího procesu. vlastnosti a mechanické vlastnosti spoje.

 

Svařování laserovým drátem z hliníkové slitiny má vlastnosti dobré kvality vzhledu a menší přesnost procesní mezery než laserové autogenní svařování. Obvykle se používá na vnějších površích karoserie automobilu, například mezi horním krytem a bočními panely a mezi horním a spodním vnějším panelem víka zavazadlového prostoru. Existují také některé modely, které používají svařování laserovým drátem pro svařování dveří z hliníkové slitiny za účelem dosažení vyšší kvality svařování.

 

3. Hybridní laserové obloukové svařování slitin hliníku
Hybridní svařování laserem a obloukem kombinuje dva zdroje tepla, laser a oblouk, se zcela odlišnými fyzikálními vlastnostmi a mechanismy přenosu energie a spolupracuje na svařovaném obrobku. Nejen, že dává plnou hru příslušným výhodám obou zdrojů tepla, ale také se vzájemně doplňuje. nedostatky. Při hybridním svařování hliníkových slitin s laserovým obloukem může oblouk vést laserový zdroj tepla, zlepšit absorpční kapacitu laseru hliníkové slitiny a využití energie během procesu svařování a tvarovatelnost povrchu svaru je lepší než u laseru. autogenní svařování. Kromě toho může zavedení oblouku výrazně snížit přesnost upnutí svařovaného obrobku. Oblouk má zároveň ředící účinek na plazma laserového svařování, což může snížit stínící účinek plazmy na laser. Laser hraje důležitou roli ve stabilitě oblouku, takže oblouk může při vysokorychlostním svařování stabilně působit na spoj, což může zlepšit kvalitu svařování spoje a zvýšit rychlost svařování.

 

 

 

Závěr
Hustota energie laserového svařovacího paprsku z hliníkové slitiny může dosáhnout 109 W/cm2. Má také výhody koncentrovaného ohřevu, malého tepelného poškození, velkého poměru hloubky a šířky svaru a malé deformace svařování. Proces svařování se snadno integruje, automatizuje a je flexibilní a může dosáhnout vysoké rychlosti a vysoké rychlosti. Přesné svařování a proces svařování nevyžaduje vakuové prostředí a neprodukuje rentgenové záření. Je zvláště vhodný pro vysoce přesné svařování složitých konstrukcí. Nejatraktivnější vlastností laserového svařování hliníkové slitiny je jeho vysoká účinnost. Aby byla tato vysoká účinnost plně využita, musí být aplikován na hluboké svařování velké tloušťky. Nevyhnutelným trendem budoucího vývoje bude proto výzkum a aplikace vysokovýkonného laseru pro hluboce penetrační svařování velkých tlouštěk. Hluboké penetrační svařování o velké tloušťce zdůrazňuje fenomén dírek a jeho dopad na poréznost svaru. Mechanismus tvorby a kontrola malých dírek se proto staly stále běžnějšími a stanou se horkým problémem, který se bude v tomto odvětví široce zabývat a výzkumem.

 

Cílem lidí je zlepšit stabilitu, tvorbu svarů a kvalitu svařování procesu laserového svařování. Proto budou dále vylepšovány a vyvíjeny nové technologie, jako je technologie laserového obloukového kompozitu, laserové svařování přídavným drátem, svařování práškovým laserem bez přednastavení, technologie duálního zaostřování a tvarování paprsku.