Лазерная сварка алюминия: Основы

По сравнению с традиционной сваркой лазерная сварка обладает рядом преимуществ, включая малый расход тепла и уменьшение теплового воздействия, высокое соотношение сторон и автоматизированный процесс сварки.

Алюминиевые сплавы популярны благодаря легкости, высокой прочности, высокому коэффициенту текучести, простоте обработки и формовки. Они широко используются в производстве таких изделий, как контейнеры, машины, электроэнергетическое оборудование, компоненты химической промышленности, авиационные и аэрокосмические конструкции.

Замена сварка стальных листов с алюминиевыми сплавами может значительно улучшить качество конструкции. Алюминий - более реакционноспособный металл с низкой энергией ионизации и высокой теплопроводностью, но он склонен к образованию тугоплавких Al2O3 пленка на поверхности, что может привести к появлению таких дефектов, как непроплавленные участки, поры, включения и термические трещины в сварном шве, что снижает механические свойства соединения.

По сравнению с аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом или аргонодуговой сваркой плавящимся электродом, лазерная сварка обеспечивает узкие сварные швы, небольшие зоны термического влияния, уменьшение количества нахлесточных соединений, точный контроль процесса сварки и автоматизацию.

В настоящее время лазерная сварка используется в основном для сварки тонкостенных электронных компонентов, конструкционных деталей и аэрокосмических компонентов. Будущее направление исследований в области лазерной сварки предполагает разработку 10 000-ваттных волоконных лазеров для сварки с глубоким проплавлением больших и толстых пластин.

Основные мощные лазеры в Применение лазерной сварки

Производительность/типУглекислотный лазерNdYAG
лазер
YbYAG
Лазерный дак
Волоконный лазер
Длина волны / мкм10.61.061.061-2
Эффективность преобразования электроэнергии/%12-152-6208-10
Плотность мощности/(МВт/см-2)1010100100
Максимальная мощность/кВт)5061550
Мощность лучаОптическая линзаОптическое волокноОптическое волокноОптическое волокно
Металлопоглощаемость/%8202020
Цикл обслуживания/час100010001ooo20000
Яркость лазера (103 Вт/мм2стерадиан) (4 кВт/ч)7,5 (фокусное расстояние:200;
Диаметр волокна: 0,6 мм)
134.2 (фокусное расстояние: 200;
Диаметр волокна: 0,2 мм)
264.4
(фокусное расстояние:160;
Диаметр волокна: 0,1 мм)

CO2 газовый лазер

Рабочая среда для CO2 лазеров является CO2 газ, а длина волны на выходе составляет 10,6 мкм, то по структуре лазерного возбуждения его можно разделить на поперечный и осевой.

В то время как поперечный поток CO2 Лазеры достигли выходной мощности 150 кВт, но качество луча не подходит для сварки. С другой стороны, осевой поток CO2 Лазеры имеют хорошее качество луча и могут использоваться для сварки алюминиевых сплавов с высокой отражательной способностью лазера.

YAG твердотельный лазер

В качестве рабочей среды для лазерных систем используются рубин, неодимовое стекло и иттрий-алюминиевый гранат (YAG), легированный неодимом, с выходной длиной волны 1,06 мкм.

По сравнению с CO2 YAG-лазеры легче поглощаются металлом и меньше подвержены влиянию плазмы. Кроме того, YAG-лазеры обеспечивают преимущества передачи данных по оптическому волокну, гибкость сварочных операций и легкий доступ к месту сварки.

В настоящее время YAG-лазеры являются основными лазерными системами, используемыми для обработки алюминиевых сплавов. сварка конструкций.

YLR волоконный лазер

YLR волоконный лазер это новейшая лазерная технология, разработанная после 2002 года. Она использует оптическое волокно в качестве материала матрицы, легированное различными редкоземельными ионами, и имеет выходную длину волны в диапазоне 1,08 мкм, которая также передается по оптическому волокну.

Сайт волоконный лазер В нем применена революционная структура волокна с двойной оболочкой, которая увеличивает длину насоса и повышает его эффективность, что приводит к значительному повышению выходной мощности по сравнению с традиционными волоконными лазерами.

По сравнению с YAG-лазерами волоконные лазеры YLR были разработаны позже, но обладают такими преимуществами, как малый размер, низкие эксплуатационные расходы, высокое качество луча и высокая мощность лазера.

Классификация алюминиевых сплавов и их свариваемость

Алюминий и алюминиевые сплавы можно разделить на:

  • Серия 1000 (промышленный чистый алюминий)
  • Серия 2000 (серия Al-Cu)
  • Серия 3000 (серия Al-Mn)
  • Серия 4000 (Al-Si)
  • Серия 5000 (Al-Mg)
  • Серия 6000 (Al-Mg-Si)
  • Серия 7000 (Al-Zn-Mg-Cu)

Алюминиевые сплавы можно разделить на две категории по их технологическим характеристикам: деформированные алюминиевые сплавы и литой алюминий сплавы. Деформированные алюминиевые сплавы можно дополнительно разделить на две подкатегории: упрочненные алюминиевые сплавы без термической обработки и упрочненные алюминиевые сплавы с термической обработкой.

Каждый тип алюминиевого сплава обладает уникальными сварочными свойствами. Например, нетермообработанный алюминий и алюминиевые сплавы серий 1000, 3000 и 5000 обладают хорошими сварочными свойствами. свариваемость. Сплавы серии 4000 имеют низкую чувствительность к трещинам.

Однако когда содержание магния в сплавах серии 5000 достигает 2%, сплав становится склонным к растрескиванию. Хотя повышенное содержание магния улучшает сварочные характеристики, оно снижает пластичность и коррозионную стойкость сплава.

С другой стороны, сплавы серий 2000, 6000 и 7000 более восприимчивы к горячему растрескиванию, имеют плохая сварка формирование шва, а также значительное снижение твердости при старении после сварки.

Поэтому очень важно принять соответствующие технологические меры для сварки алюминиевых сплавов и выбрать правильный метод сварки и присадочный материал для достижения хорошего качества. сварные соединения. Перед сваркой материал должен быть подвергнут обработка поверхностиВ том числе удаление маслянистых загрязнений органическими растворителями, погружение в раствор NaOH, промывка поверхности проточной водой и фотохимическая обработка.

Обработанные сварные изделия также должны подвергаться процесс сварки эксперименты в течение 24 часов.

Применение лазерной сварки структуры алюминиевого сплава

С 1990-х годов научно-технический прогресс и разработка лазеров большой мощности и высокой яркости привели к росту лазерной техники. технология сварки и его растущая зрелость с точки зрения интеграции, интеллекта, гибкости и разнообразия. Все большее внимание уделяется применение лазерной сварки в конструкциях из алюминиевых сплавов в различных отраслях промышленности как на внутреннем, так и на международном рынке.

В настоящее время некоторые производители автомобилей в Китае уже внедрили технологию лазерной сварки в некоторые из своих новых моделей. Как технология лазерной сварки толстолистового алюминиевого сплава продолжает развиваться, ожидается, что в будущем он будет использоваться для изготовления конструкций бронетехники.

Для достижения легковесности производства применение и исследование лазерной сварки в многослойных конструкциях из алюминиевых сплавов является актуальным направлением исследований в области производства конструкций судов и высокоскоростных поездов.

Алюминиевые сплавы также являются важным металлический материал для аэрокосмических конструкций, поэтому такие развитые страны, как Япония, США, Великобритания и Германия, уделяют большое внимание исследованию технологии лазерной сварки алюминиевых сплавов.

С развитием волоконно-лазерная сварка Технология волоконной лазерной сварки и технология гибридной лазерной дуговой сварки стали основными технологиями сварки алюминиевых сплавов в авиационной промышленности в передовых странах, особенно для сварки толстых листов и разнородных металлов.

Например, в рамках американского проекта NALI проводятся исследования технологии сварки волоконным лазером и гибридной лазерно-дуговой сварки для конструкции камеры сгорания как гражданских самолетов, так и двигателей самолетов JSF.

Характеристики лазерной сварки алюминиевого сплава

По сравнению с обычной сваркой плавлением лазерная сварка алюминиевых сплавов имеет такие преимущества, как концентрированный нагрев, большое соотношение глубины и ширины шва, а также уменьшение деформации сварочной конструкции. Однако существуют и некоторые ограничения, в том числе:

  • Небольшой диаметр лазерный фокус место требует высокой точности при сварке и сборке заготовок. Как правило, монтажный зазор и смещение должны составлять менее 0,1 мм или 10% толщины листа, что затрудняет реализацию сложных трехмерных сварных конструкций.
  • Высокая отражательная способность алюминиевых сплавов для лазеров, достигающая 90% при комнатной температуре, означает, что лазерное глубокое проникновение сварка алюминия сплавов требует высокой мощности.

Исследование лазерной сварки листов из алюминиевого сплава показывает, что:

Лазерная сварка алюминиевых сплавов методом глубокого проплавления зависит как от плотности мощности лазера, так и от линейной энергии. Эти два фактора совместно влияют на поведение расплавленной ванны в процессе сварки и отражаются на характеристиках сварного шва.

Чтобы оптимизировать сварка с полным проплавлением Для оценки эффективности процесса можно использовать коэффициент обратной ширины характерных параметров формирования сварного шва.

  • Алюминиевые сплавы имеют низкую температуру плавления и хорошую текучесть жидкого металла, что может привести к сильному испарению металла под воздействием мощных лазеров. Облако плазмы из паров металла/фотоиндуцированной плазмы, образующееся в результате эффекта замочной скважины, может влиять на поглощение лазера энергии алюминиевого сплава во время сварки, что вызывает нестабильность процесса сварки с глубоким проплавлением и приводит к появлению таких дефектов, как пористость, разрушение поверхности и подрезы.
  • Лазерная сварка отличается высокой скоростью нагрева и охлаждения, что обеспечивает более высокую твердость шва по сравнению с дуговой сваркой. Однако потери при горении элементы сплава во время лазерной сварки алюминиевого сплава может повлиять на его упрочняющий эффект, что приведет к снижению прочности сварного соединения алюминиевого сплава из-за размягчения.

Таким образом, основной задачей при лазерной сварке алюминиевых сплавов является контроль дефекты сварных швов и улучшить свойства сварных соединений.

Основные проблемы, существующие при лазерной сварке алюминиевых сплавов

Лазерная сварка использует лазер в качестве источника света высокой плотности, который обеспечивает быстрый нагрев и мгновенное затвердевание, с соотношением сторон до 12:1. Однако из-за высокой отражательной способности и хорошего теплового проводимость алюминия сплавов, а также защитное действие плазмы, в процессе сварки возможно появление дефектов.

Двумя наиболее значительными дефектами являются поры и термические трещины. Задача лазерной сварки алюминиевых сплавов заключается в эффективном улучшении поглощения материалом лазерного излучения из-за его сильного отражения.

Сайт процесс лазерной сварки для алюминиевых сплавов является более сложной, и ее крайне важно улучшать и дорабатывать в связи с особенностями самого алюминиевого сплава.

Скорость поглощения лазера

Чем выше степень поглощения лазера материалом или чем ниже коэффициент теплопередачи и коэффициент температуропроводности, тем легче энергия лазера поглощается поверхностью материала, что приводит к быстрому повышению температуры поверхности и плавлению или испарению материала.

В таблице 1 показана отражательная способность различных металлов для лазеров с разными длинами волн.

Таблица 1 Отражательная способность металлов к лазерам с различными длинами волн при комнатной температуре (%)

λ/мкмAgЭлCuCrNiСталь
0.7957782566858
1.06978091587563
10.6999898939593

Отражательная способность различные металлы уменьшается по мере уменьшения длины волны, при этом отражательная способность Ag, Al и Cu для лазерного излучения достигает 90% и более. Это значительно повышает сложность лазерная обработка.

При комнатной температуре скорость поглощения CO2 лазеров алюминиевыми сплавами очень низка: 98% лазерной энергии отражается от поверхности алюминиевого сплава. Отражение Nd:YAG-лазеров также достигает 80%.

Очевидно, что алюминиевые сплавы обладают высокой отражательной способностью к лазерному излучению и низкой поглощательной способностью, что обусловлено высокой плотностью свободных электронов. Сильная вибрация световых электромагнитных волн приводит к генерации сильных отраженных волн и более слабых передаваемых волн. Отраженные волны не так легко поглощаются поверхностью алюминиевого сплава, что приводит к его высокой отражательной способности для лазеров при комнатной температуре.

Индукция и стабилизация "малых дыр"

В процесс лазерной сваркикогда плотность энергии лазера превышает 3,5 * 106Вт/см2При этом образуются ионы. Этот метод сварки осуществляется путем сварки с глубоким проплавлением и основан на эффекте "малых отверстий". Наличие "маленьких отверстий" значительно увеличивает скорость поглощения лазера материалом и приводит к хорошему сварочному эффекту за счет проплавления сварного шва при высокой плотности энергии.

Основной проблемой при лазерной сварке алюминиевых сплавов является создание и поддержание стабильности небольших отверстий, что связано как с свойства материала алюминиевых сплавов и оптических свойств лазерного луча. Как уже упоминалось ранее, алюминий отражает 80% энергии при комнатной температуре и обладает хорошей теплопроводностью, что требует большого порога плотности лазерной энергии для создания "маленьких отверстий".

Как только входная мощность превышает это значение, передача лазерной энергии в материал больше не ограничивается теплопроводностью, и сварка осуществляется за счет глубокого проникновения. Сайт лазерное излучение вызывает сильное испарение основного металла и образует испарительную канавку. Лазерный луч проникает в материал через эту канавку, что приводит к резкому увеличению глубины и эффективности сварки.

Для высокоотражающих материалов, таких как алюминиевые и медные сплавы, при сварке требуется большая плотность мощности. Это предъявляет определенные требования к выбору моделей сварочных аппаратов, а также коллимирующих и фокусирующих линз.

Механические свойства сварных швов

Упрочнение рафинированием, упрочнение твердым раствором и упрочнение осадками при старении - это три различных способа упрочнения алюминиевых сплавов. Несмотря на эти механизмы, большое количество испарения элементов сплава с низкой температурой плавления, таких как Mg и Zn, во время лазерной сварки приводит к утонению сварного шва и снижению его прочности. твердость и прочность.

В процессе быстрого затвердевания превращение мелкозернистой упрочненной структуры в литую приводит к снижению твердости и прочности. Кроме того, наличие трещин и пор в сварном шве снижает прочность на разрыв.

В заключение следует отметить, что размягчение шва является еще одной проблемой при лазерной сварке алюминиевых сплавов.

Стома

Существует два основных типа пор в процессе лазерной сварки алюминиевых сплавов: газоводородные поры и поры, образующиеся при разрушении шпонки.

(1) Водородные поры: Алюминиевые сплавы при высоких температурах образуют на своей поверхности оксидную пленку, которая легко поглощает влагу из окружающей среды. При нагревании лазером вода разлагается на водород, а растворимость водорода в жидком алюминии примерно в 20 раз больше, чем в твердом. Во время быстрого затвердевания сплава растворимость водорода резко снижается, когда он переходит из жидкого алюминия в твердое состояние. Если избыток водорода в жидком алюминии не поднимается и не переливается плавно, он образует водородные поры. Эти поры обычно имеют правильную форму и больший размер, чем дендриты, а на внутренней поверхности видны следы застывания дендритов.

(2) Обрушение замочной скважины: Сварочное отверстие находится в равновесии с собственной гравитацией и атмосферным давлением. Если этот баланс нарушается, жидкий металл в расплавленной ванне не может вовремя перетечь и заполнить отверстие, что приводит к образованию неравномерных отверстий. Исследования показали, что содержание магния во внутренней стенке отверстия примерно в 4 раза выше, чем вблизи сварного шва. Поскольку скорость охлаждения при лазерной сварке слишком высока, проблема пор, образованных газообразным водородом, является более серьезной, и отверстий, вызванных разрушением небольших отверстий при лазерной сварке, становится больше.

Термическое растрескивание

Алюминиевый сплав - это обычный эвтектический сплав, который склонен к горячие трещины во время сварки, включая кристаллизационные трещины в сварном шве и трещины разжижения в зоне термического влияния (HAZ). Как правило, кристаллизационные трещины появляются в зоне сварки, а трещины разжижения - вблизи шва. Среди алюминиевых сплавов особенно подвержены растрескиванию сплавы Al-Mg-Si серии 6000.

Основной металл подвергается быстрому нагреву и охлаждению, что может привести к мгновенному затвердеванию и процессу кристаллизации. Большая степень переохлаждения во время этого процесса приводит к тому, что кристаллические зерна растут перпендикулярно центру шва, образуя низкоплавкие эвтектические соединения, такие как Al-Si или Mg-Si, Al-Mg2Si и другие. Это ослабляет силу сцепления плоскости кристалла, делая его более склонным к образованию трещин под действием термических напряжений.

В алюминиевом сварка сплавом В процессе сварки легко испаряются и сгорают низкокипящие элементы, такие как Mg, Zn, Mn и Si. Чем меньше скорость сварки, тем сильнее горение, что приводит к изменению химического состава металла шва. Из-за сегрегации компонентов в зоне сварки возникают эвтектическая сегрегация и зернограничное плавление, что приводит к образованию трещин разжижения на границе зерен под действием напряжения, снижая эксплуатационные характеристики сварного соединения.

Процесс лазерной сварки алюминиевого сплава

Для успешной лазерной сварки алюминиевых сплавов и решения вышеупомянутых проблем обычно используется несколько подходов.

Газозащитное устройство

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на потерю элементов с низкой температурой плавления в алюминиевых сплавах во время сварки, является давление газа, выходящего из сопла. Для смягчения этой проблемы можно уменьшить диаметр сопла, увеличить давление и скорость потока газа. Это позволит уменьшить потери при горении таких элементов, как Mg и Zn, в процессе сварки, а также увеличить проплавление.

Существует два метода обдува: прямой и боковой. Кроме того, можно одновременно дуть как вверх, так и вниз по сварному шву. Выбор метода обдува должен определяться в зависимости от конкретных обстоятельств во время сварки.

Обработка поверхности

Алюминиевый сплав сильно реагирует на лазерную энергию. Правильная подготовка поверхности алюминиевого сплава, например, анодное оксидирование, электролитическая полировкаПескоструйная обработка и т.д. могут значительно улучшить поглощение энергии луча на поверхности.

Исследования показали, что удаление оксидной пленки с алюминиевых сплавов повышает их склонность к образованию кристаллизационных трещин. Чтобы не повредить состояние поверхности алюминиевого сплава и одновременно упростить процесс лазерной сварки, перед сваркой можно повысить температуру поверхности заготовки, что увеличит скорость поглощения лазера материалом.

Параметры лазера

Лазерная сварка делится на две категории: импульсные лазеры и непрерывные лазеры. Импульсные лазеры с длиной волны 1064 нм имеют высококонцентрированный луч, а энергия импульса в одной точке больше, чем у непрерывных лазеров. Однако энергия импульсных лазеров обычно ограничена, что делает их более подходящими для сварки тонкостенных материалов.

Импульсный режим сварки

При выполнении лазерной сварки важно выбрать подходящую форму сварочного импульса. К распространенным формам импульсов относятся квадратная волна, пиковая волна и двойная пиковая волна. Обычно импульсные волны длятся миллисекунды. Во время лазерного импульса отражательная способность металла резко меняется. Алюминиевые сплавы обладают высокой отражательной способностью, что означает, что 60-98% лазерной энергии, попадающей на поверхность материала, может быть потеряно из-за отражения. Эта отражательная способность меняется в зависимости от температуры поверхности.

Острая волна и двойная пиковая волна - лучшие варианты для сварки алюминиевого сплава, так как нарастающая фаза формы волны дает больше энергии для расплавления алюминиевого сплава. Как только в заготовке образуется "маленькое отверстие", скорость поглощения жидкого металла лазером быстро возрастает при сварке с глубоким проплавлением. В этот момент важно быстро снизить энергию лазера и выполнять сварку на низкой мощности, чтобы избежать разбрызгивания.

Замедляющаяся часть формы сварочной волны имеет большую длительность импульса, что эффективно снижает образование пор и трещин. Такая форма волны заставляет сварной шов плавиться и застывать многократно, снижая скорость застывания расплавленной ванны. Форму волны можно регулировать по мере необходимости при сварке различных типов образцов.

Форма импульсной волны при сварке алюминиевого сплава

Рисунок 1 Форма импульса при сварке алюминиевого сплава

Выбор подходящего количества расфокусировка также может минимизировать образование пор. Изменение расфокусировки оказывает значительное влияние на формирование поверхности шва и проплавление. Отрицательный расфокус может увеличить проплавление, а положительный расфокус при импульсной сварке может сделать поверхность шва более гладкой и визуально привлекательной.

Из-за высокой отражательной способности алюминиевых сплавов к лазерной энергии сварочная головка обычно располагается под углом, чтобы лазерный луч не отражался вертикально и не повреждал лазерная фокусировка линза. Диаметр паяного соединения и эффективная поверхность склеивания увеличиваются по мере увеличения угла наклона лазера. Наибольший размер паяного шва и эффективной поверхности склеивания достигается при угле наклона лазера 40°. Однако проплавление точки сварки и эффективное проплавление уменьшаются с увеличением угла наклона лазера, а когда он превышает 60°, эффективная сварочный проход уменьшается до нуля. Наклон сварочной головки на определенный угол может увеличить глубину проплавления и ширину сварного шва.

Кроме того, важно отметить, что чем выше скорость сварки, тем выше риск образования трещин. Это связано с тем, что высокая скорость сварки приводит к значительной степени недоохлаждения, что вызывает измельчение зерен в зоне сварки и рост большого количества "пучковых кристаллов" в одном направлении, что увеличивает вероятность образования трещин на плоскости кристалла между этими пучковыми кристаллами. Если скорость сварки слишком высока, глубина проплавления сварного шва будет относительно небольшой.

Сварка в непрерывном режиме

Традиционная лазерная сварка может привести к охрупчиванию или образованию трещин. Напротив, при непрерывной лазерной сварке не происходит такого резкого охлаждения и нагрева, как при импульсной лазерной сварке, что приводит к уменьшению количества трещин в процессе сварки. Кроме того, сварка волоконным лазером большинства алюминиевых сплавов приводит к повышению прочности после сварки и снижает риск возникновения хрупкости.

Импульсная лазерная сварка подходит для сварки чистого промышленного алюминия, при этом риск появления трещин после сварки невелик. Однако в некоторых отраслях промышленности может потребоваться полировка поверхности после сварки, а импульсная лазерная сварка может вызвать появление вмятин и увеличить объем необходимой полировки, что приведет к увеличению времени обработки и производственных затрат. Лазеры непрерывного действия позволяют решить эти проблемы.

Как показано на рис. 2, сравнение сварного шва корпуса батареи после импульсной лазерной сварки и непрерывной лазерной сварки демонстрирует преимущества непрерывной лазерной сварки. Импульсные паяные швы неровные, с подрезанными и вмятыми поверхностями, с большим количеством брызг и более низкой прочностью после сварки. В отличие от этого, непрерывная лазерная сварка дает гладкую и однородную поверхность. сварной шов поверхность, свободная от дефектов и брызг, без трещин в сварном шве.

Импульсная и непрерывная сварка сплава Al-Mn

Рисунок 2 Импульс и непрерывная сварка сплав Al-Mn

Дуговые кратеры - обычное явление во время аргонодуговая сваркаТо же самое может произойти и при лазерной сварке. Чтобы свести к минимуму появление небольших кратеров, в форме волны во время сварки можно установить медленный подъем и медленный спад, а скорость сварки можно увеличить по мере необходимости.

Непрерывная лазерная сварка имеет множество преимуществ при сварке алюминиевых сплавов. По сравнению с традиционной методы сваркиНепрерывная лазерная сварка более эффективна и исключает необходимость заправки проволоки. По сравнению с импульсной лазерной сваркой, непрерывная лазерная сварка устраняет такие дефекты, как трещины, поры и брызги, и гарантирует, что алюминиевый сплав будет иметь хорошие механические свойства после сварки. Кроме того, после сварки не остается вмятин, а количество необходимых полировок и шлифовок уменьшается, что позволяет сэкономить на производственных затратах.

Однако важно отметить, что непрерывные лазеры имеют относительно небольшой размер пятна, поэтому точность сборки заготовки должна быть высокой.

Внесение легирующих элементов

Предотвращение термических трещин является критически важной технологией при лазерной сварке алюминиевых сплавов, особенно сплавов серии 6000, которые очень чувствительны к трещинам. Если содержание ω(Mg2Si) достигает 1%, возможно появление горячих трещин. Чтобы снизить риск появления трещин, можно добавить соответствующие легирующие элементы для корректировки химического состава расплава, например, добавить порошок Al-Si или Al-Mg-Si.

Кроме того, подача проволоки позволяет улучшить сварочный эффект и получить однородный сварной шов с повышенной твердостью. Введение присадочного материала увеличивает содержание Mg и Si в дендрите в зона слияниячто приводит к увеличению прочности соединения за счет эффекта упрочнения твердым раствором β".

Как правило, алюминиевые сплавы 6063 и 6082 заполняются сварочными проволоками Al-5Si и Al-7Si, а пластины 6013 и 6056 свариваются с использованием CO2 и Nd: YAG лазеров, соответственно, и заполнены сварочной проволокой Al-12Si.

Другие технологические методы

Стремление к стабильности и качеству при лазерной сварке алюминиевых сплавов.

В настоящее время в области лазерной сварки алюминиевых сплавов основное внимание уделяется использованию комбинированного процесса, сочетающего высокую плотность энергии лазерных лучей с более широким диапазоном нагрева дуги, использующего сильные стороны обоих источников тепла и улучшающего их характеристики - высокую плотность энергии и стабильность дуги.

Для материалов с высокой отражательной способностью, таких как алюминиевый сплав, гибридная лазерная сварка может предварительно нагреть или расплавить поверхность материала с помощью энергии дуги, что значительно улучшает поглощение лазерной энергии алюминиевым сплавом.

Шида и др. успешно использовали СО2-лазер мощностью 10 кВт в сочетании с дугами TIG и MIG для сваривать алюминий сплавов. Введение дуг улучшило коэффициент использования энергии лазера и увеличило коэффициент проплавления сварного шва на 5-20%. В результате была получена гладкая, хорошо сформированная поверхность шва.

Гибридная лазерная сварка увеличивает размер ванны и изменяет условия течения материала в расплавленном состоянии благодаря соединению лазерных лучей и дуги, что позволяет устранить поры.

Устранение воздушных отверстий при сварке алюминиевых сплавов также может быть достигнуто с помощью двухлучевой сварки. Для двухлучевой сварки использовался волоконный лазер непрерывного действия мощностью 6 кВт. стыковая сварка алюминиевого сплава 5052, а также изучалось влияние режимов параллельной и последовательной двухлучевой сварки и различных скоростей сварки на морфологию и структуру шва. Исследование показало, что параллельная двухлучевая сварка приводит к образованию больших отверстий в швах, в то время как последовательная сварка алюминиевых сплавов дает хорошее формирование шва без пор.

Технология контроля дефектов при лазерной сварке алюминиевого сплава

Под воздействием мощных лазеров основными дефектами при лазерной сварке глубокого проплавления алюминиевых сплавов являются пористость, разрушение поверхности и подрезы. Дефекты разрушения поверхности и подрезов можно устранить с помощью лазерной сварки с заполнением проволокой или гибридной лазерной дуговой сварки. Однако борьба с дефектами пористости является сложной задачей.

Исследования показали, что существует два типа характерных пор при лазерной сварке алюминиевых сплавов глубоким проплавлением. Один тип - это металлургические поры, вызванные загрязнением материала или проникновением воздуха в процессе сварки, аналогично дуговой сварке плавлением. Другой тип - технологическая пористость, которая вызвана нестабильным колебанием мелких отверстий, присущим процессу лазерной сварки с глубоким проплавлением.

Во время лазерной сварки глубокого проплавления небольшое отверстие часто отстает от движения луча из-за вязкости жидкого металла, а его диаметр и глубина колеблются под воздействием плазмы/паров металла. По мере движения луча и протекания расплавленного металла в ванне, неполная сварка глубокого провара закрывается из-за потока расплавленного металла в ванне, что приводит к появлению пузырьков на кончике маленького отверстия. При сварке с полным глубоким проплавлением пузырьки появляются в поясе маленького отверстия посередине.

Эти пузырьки мигрируют и перемещаются вместе с потоком жидкого металла, выходят на поверхность расплавленной ванны или выталкиваются обратно в небольшое отверстие. Когда пузырьки застывают в расплавленной ванне и захватываются фронтом металла, они превращаются в поры сварного шва.

Металлургические поры можно контролировать с помощью предварительной обработки поверхности перед сваркой и надлежащей газовой защиты в процессе сварки. Ключом к контролю технологических пор является обеспечение стабильности в процессе лазерной сварки глубокого проникновения.

Согласно исследованиям отечественных технологий лазерной сварки, контроль воздушных отверстий при лазерной сварке глубокого проплавления алюминиевых сплавов требует учета всех звеньев, включая предсварочный процесс, процесс сварки и послесварочную обработку. Этого можно достичь с помощью следующих новых процессов и технологий.

Метод предварительной обработки перед сваркой

Обработка поверхности перед сваркой является эффективным методом контроля металлургических пор при лазерной сварке алюминиевых сплавов. Обычные методы обработки поверхности включают физико-механическую и химическую очистку. В последнее время также появилась лазерная ударная очистка, что еще больше повышает автоматизацию лазерной сварки.

Оптимизация управления стабильностью параметров

Параметры процесса лазерной сварки алюминиевых сплавов обычно включают мощность лазера, расфокусировку, скорость сварки, а также состав и расход защитного газа. Эти параметры влияют не только на защитный эффект зоны сварки, но и на стабильность процесса лазерной сварки глубокого проникновения, что, в свою очередь, влияет на пористость сварного шва.

В ходе лазерной сварки с глубоким проплавлением листов алюминиевого сплава было установлено, что стабильность проплавления малых отверстий влияет на стабильность расплавленной ванны, что в свою очередь влияет на формирование сварного шва и приводит к появлению дефектов пористости. Кроме того, стабильность лазерной сварки глубокого проплавления связана с согласованием плотности мощности лазера и линейной энергии.

Поэтому определение разумных параметров процесса для стабильного формирования сварного шва является эффективным методом контроля пористости при лазерной сварке алюминиевых сплавов. Результаты исследований характеристик стабильного формирования сварного шва с полным проплавлением показали, что отношение ширины обратной стороны шва к ширине поверхности шва (отношение ширины обратной стороны шва) может использоваться для оценки формирования и стабильности сварного шва листов из алюминиевых сплавов.

Соответствующее согласование плотности мощности лазера и энергии линии при лазерной сварке тонких листов позволяет обеспечить определенный коэффициент ширины обратной стороны шва, эффективно контролируя пористость шва.

Двойная точечная лазерная сварка

Двойная точечная лазерная сварка относится к процессу сварки, при котором два сфокусированных лазерных луча одновременно воздействуют на одну и ту же сварочную ванну. При лазерной сварке с глубоким проплавлением одной из основных причин пористости шва является закрытие газа в небольшом отверстии в сварочной ванне.

При использовании двухточечной лазерной сварки отверстие увеличивается за счет воздействия двух источников света, что облегчает выход паров металла изнутри и повышает стабильность маленького отверстия, тем самым уменьшая пористость шва.

Исследования лазерной сварки алюминиевых сплавов A356, AA5083, 2024 и 5A90 показали, что двойная точечная лазерная сварка может значительно уменьшить пористость шва.

Гибридная лазерно-дуговая сварка

Гибридная лазерно-дуговая сварка - это метод сварки, при котором лазер и дуга воздействуют на одну и ту же расплавленную ванну. Обычно лазер является основным источником тепла, а взаимодействие лазера и дуги повышает проплавление и скорость сварки при лазерной сварке, снижая при этом точность сборки.

Использование присадочной проволоки помогает контролировать микроструктуру и свойства сварных соединений, а вспомогательный эффект дуги улучшает стабильность отверстий при лазерной сварке, способствуя уменьшению пористости шва.

В процессе гибридной лазерно-дуговой сварки дуга воздействует на облако пара металла/плазмы, создаваемое лазерным процессом, способствуя поглощению лазерной энергии и стабильности небольших отверстий.

Исследования гибридной лазерно-дуговой сварки алюминиевых сплавов подтвердили ее эффективность в снижении пористости сварного шва.

Волоконно-лазерная сварка

Эффект шпоночного отверстия при лазерной сварке глубокого проникновения возникает из-за сильного испарения металла под воздействием лазера. Сила испарения металла тесно связана с плотностью мощности лазера и качеством луча, что влияет как на проплавление при лазерной сварке, так и на стабильность шпоночных отверстий.

Seiji и др. исследовали нержавеющую сталь SUS304 мощным волоконным лазером и показали, что:

Во время высокоскоростной сварки расплавленная ванна удлиняется, разбрызгивание контролируется, колебания малых отверстий стабильны, а на кончике малого отверстия не образуются пузырьки. Когда волоконный лазер используется для высокоскоростной сварка титана сплавы и алюминиевые сплавы, также может быть получен сварной шов без пор.

Исследование по защитный газ технология управления волоконной лазерной сваркой титановых сплавов, разработанная Алленом и др. sКак вам это:

Контролируя положение сварочный защитный газЭто позволяет предотвратить попадание газа, уменьшить время закрытия малого отверстия, стабилизировать сварочное малое отверстие и изменить поведение затвердевания расплавленной ванны, тем самым уменьшая пористость сварного шва.

Импульсная лазерная сварка

По сравнению с непрерывной лазерной сваркой, импульсный режим лазерного излучения позволяет усилить периодическое и устойчивое течение расплавленного слоя, что способствует выделению пузырьков и уменьшению пористости сварного шва.

T.Y. Kuo и S.L. Jeng исследовали влияние режима выходной мощности YAG-лазера на пористость и характеристики сварных швов, выполненных из SUS 304L нержавеющая сталь и суперсплав Inconel 690.

Результаты показывают, что при импульсной лазерной сварке квадратными волнами, когда базовая мощность увеличивается до 1700 Вт, пористость шва уменьшается с увеличением амплитуды импульса ΔP. В частности, пористость нержавеющей стали уменьшается с 2,1% до 0,5%, а пористость суперсплава - с 7,1% до 0,5%.

Технология обработки композитных материалов после сварки

В практическом машиностроении, несмотря на строгую обработку поверхности перед сваркой и стабильный процесс сварки, пористость все еще является распространенной проблемой при лазерной сварке алюминиевых сплавов.

Поэтому очень важны методы послесварочной обработки для устранения пористости.

В настоящее время в основном используется модифицированная сварка.

Один из таких методов устранения внутренней и усадочной пористости в алюминии литьё из сплавов это технология горячего изостатического прессования.

Сочетание с термической обработкой под напряжением после лазерной сварки алюминиевых сплавов позволяет создать композитный процесс горячего изостатического прессования и термической обработки компонентов для лазерной сварки алюминиевых сплавов. Это не только устраняет пористость сварного шва, но и повышает эксплуатационные характеристики соединения.

Заключение

Применение мощной лазерной сварки алюминиевых сплавов по-прежнему сопряжено со многими трудностями, обусловленными их уникальными характеристиками.

Одной из основных задач является контроль дефектов пористости сварного шва и улучшение качество сварки.

Для повышения стабильности процесса сварки и контроля пористости при лазерной сварке алюминиевых сплавов необходим комплексный подход, учитывающий все аспекты, от предварительной сварки до процесса сварки и послесварочной обработки.

Для решения этой проблемы было разработано несколько новых технологий и процессов, включая лазерную очистку перед сваркой, оптимизацию параметров сварочного процесса с помощью управления коэффициентом обратной ширины, двухлучевую лазерную сварку, гибридную лазерно-дуговую сварку, импульсную лазерную сварку и оптический волоконный лазер сварка.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.