Kako rešiti problem laserskega varjenja aluminijeve zlitine

Trenutno s povečanjem kompleksnosti avtomobilskega cevovoda vedno več varilnih točk, kar neizogibno prinaša veliko težav pri plamenskem varjenju. Seveda ima vsak način varjenja svoje prednosti in slabosti. Ta članek analizira izvedljivost cevovoda klimatske naprave z laserskim varjenjem.

Danes se lasersko varjenje pogosto uporablja v strojni industriji. Poleg tega ima laserska tehnologija tudi značilnosti majhnega vnosa toplote pri varjenju, majhnega vpliva na površino varjenja in ni enostavne za deformacijo, zato je bila deležna posebne pozornosti na področju varjenja aluminijevih zlitin.

Po drugi strani pa ima lasersko varjenje aluminijeve zlitine zaradi lastnosti obdelave aluminijeve zlitine nekaj težav pri varjenju. Kako rešiti te težave?

Problem 1: Aluminijeva zlitina ima nizko stopnjo absorpcije laserja. Ta težava je predvsem posledica problema z materialom iz aluminijeve zlitine. Zaradi visoke začetne odbojnosti in visoke toplotne prevodnosti aluminijeve zlitine na laserski žarek je stopnja absorpcije aluminijeve zlitine na laserski žarek pred taljenjem zelo nizka. Aluminijeva zlitina ima močan odbojni učinek na laser, kar je posledica visoke gostote prostih elektronov v trdnem stanju aluminijeve zlitine, ki zlahka odbija energijo s fotonom v žarku.

Študije kažejo, da je odbojnost aluminijeve zlitine na plinski CO2 laser kar 90 %, odbojnost trdnega laserja pa skoraj 80 %. Hkrati ima aluminijeva zlitina močno toplotno prevodnost, kar ima za posledico zelo nizko stopnjo absorpcije laserja iz aluminijeve zlitine. Zato je treba sprejeti ustrezne ukrepe za izboljšanje stopnje laserske absorpcije aluminijeve zlitine.

Za rešitev te težave rešitve vključujejo predvsem naslednje vidike:

1. Površinska predobdelava materiala iz aluminijeve zlitine. Aluminijeve zlitine imajo visoko lasersko odzivnost. Ustrezna predobdelava površine aluminijeve zlitine, kot je anodna oksidacija, elektrolitsko poliranje, peskanje, peskanje itd. Lahko bistveno izboljša površinsko absorpcijo sevalne energije. Rezultati kažejo, da je nagnjenost k kristalizaciji aluminijeve zlitine po odstranitvi oksidnega filma večja kot pri originalni aluminijevi zlitini. Da ne bi uničili površinske obdelave aluminijeve zlitine in poenostavili postopek laserskega varjenja, lahko postopek varjenja uporabite za povečanje površinske temperature obdelovanca in izboljšanje stopnje absorpcije materiala v laserju.

2. Zmanjšajte velikost točke in izboljšajte gostoto moči laserja. Laserska absorpcija aluminijeve zlitine se izboljša s povečanjem gostote moči laserja. Povečanje gostote moči laserja bo povzročilo učinek majhne luknje v varilnem bazenu, kar lahko močno izboljša stopnjo absorpcije materiala v laserju.

3. Spremenite varilno strukturo, tako da se laserski žarek večkrat odbije v reži, da olajšate lasersko varjenje aluminijeve zlitine. Oblika sklepa vpliva na absorpcijo laserske svetlobe. Poševnina v obliki črke V in kvadratna poševnica sta bolj primerna za nastanek ključavnic kot nepoševni spoji, poveča se gostota moči laserja in poveča se tudi stopnja laserske absorpcije aluminijeve zlitine.

Težava 2: enostavno je ustvariti pore in vroče razpoke, ki jih je enostavno ustvariti pore in vroče razpoke v procesu laserskega varjenja aluminijeve zlitine. Poroznost je najpogostejša in najpomembnejša napaka pri laserskem varjenju aluminijeve zlitine. Vrste stomatov lahko razdelimo v dve kategoriji.

Prvi je, da lahko zaradi močnega zmanjšanja topnosti vodika v procesu hlajenja laserskega varjenja aluminijeve zlitine vsebnost vodika v staljeni aluminijevi zlitini doseže {{0}}.69 ml/100 g, vsebnost vodika aluminijeve zlitine po ohlajanju in strjevanju je 0,036 ml/100 g, prenasičen vodik pa se obori in tvori vodikove pore. Poleg tega je na površini aluminijeve zlitine oksidni film, voda v kristalni vodi, zrak in zaščitni plin na površini aluminijeve zlitine pa se med varjenjem neposredno razgradijo v vodik. Te vodikove pore prepozno uidejo med postopkom hitrega ohlajanja laserskega varjenja aluminijevih zlitin in ostanejo v zvaru, da tvorijo vodikove pore.

Drugi je posledica nestabilnosti ključavnice, ki nastane v procesu laserskega varjenja in se zruši, tekoča kovina pa nima časa zapolniti luknje. Prekomerna poroznost bo zmanjšala gostoto zvara, zmanjšala nosilnost spoja ter v različni meri zmanjšala trdnost in plastičnost spoja.

Obstaja veliko ukrepov za zmanjšanje napak plinske luknje pri laserskem varjenju, kot je možnost mešanja staljenega bazena, dodajanje možnosti površine, polnjenje žice ali polnjenje zlitine v prahu in uporaba dvojne točkovne tehnologije in laserskega kompozitnega varjenja za zmanjšanje učinka por, vendar je težko odpraviti celotno stvar. Toplotna prevodnost aluminija je boljša, valovno obliko moči laserja pa je mogoče prilagoditi glede na material, debelino in stanje površine aluminijeve zlitine. Na sliki vodilnega varjenja tipa valov se lahko uporablja tudi za varjenje tipa valov, ki je izoliran po predhodnem segrevanju, kar lahko igra vlogo pri zmanjševanju plina in plinskih lukenj. Lahko zmanjša nestabilnost por, spremeni kot laserskega žarka in uporabi magnetno polje pri varjenju ter lahko učinkovito nadzoruje pore srednjega razreda.

Vzrok vročih razpok pri laserskem varjenju aluminijeve zlitine je v glavnem povezan z lastnimi značilnostmi in postopkom varjenja. Med strjevanjem aluminijeve zlitine je stopnja krčenja velika (do 5%), varilna napetost in deformacija sta veliki, zvar pa bo med kristalizacijo ustvaril evtektično strukturo z nizkim tališčem vzdolž meje zrn, tako da bo meja zrn vezivna sila oslabi in pod delovanjem natezne napetosti nastanejo vroče razpoke.

Nagnjenost k vročim razpokam je mogoče zmanjšati s polnjenjem žice ali zlitine v prahu, nagnjenost k vročim razpokam pa je mogoče zmanjšati tudi s prilagoditvijo parametrov varilnega postopka za nadzor hitrosti segrevanja in hlajenja. Pri uporabi laserjev YAG lahko dovod toplote nadzirate s prilagajanjem valovne oblike impulza, da zmanjšate razpoke kristalov.

Problem 3: Mehanske lastnosti zvarnih členov se poslabšajo – mehčanje

Izguba zgorevanja legirnih elementov v procesu varjenja zmanjša mehanske lastnosti zvarjenih spojev iz aluminijeve zlitine.

»Mehčanje« je pojav zmanjšanja trdnosti in trdote zvarnih spojev. Pri uporabi spoja iz aluminijeve zlitine z laserskim varjenjem ima struktura zvara in toplotno prizadeto območje zvarnega spoja težave z mehčanjem. Veliko število študij je pokazalo, da je pojav mehčanja pri varjenju aluminijeve zlitine težko popolnoma odpraviti, vendar v primerjavi z varjenjem v zaščitnem plinu lasersko varjenje zmanjša vnos toplote in zoži območje mehčanja zvara. V primerjavi z MIG varjenjem je stopnja "mehčanja" lasersko varjenih spojev iz aluminijeve zlitine nižja, natezna trdnost pa se povečuje s povečanjem hitrosti varjenja. Vpliv plazme na postopek varjenja Energija ionizacije aluminijevega elementa je nizka, lasersko varjenje je lažje oblikovati kovinsko plazmo, plazmo, ki jo povzroča laserska refrakcija, odklon, s čimer se spremeni fokus laserskega žarka, tako da se zmanjša razmerje preboja zvara, vpliva na kakovost zvarnega spoja. S prednastavitvijo prahu na površino obdelovanca se raztezanje in pulziranje plazme v višinski smeri oslabi, tako da lahko plazma vzdržuje relativno stabilno amplitudo pulziranja na površini obdelovanca.

Mehanske lastnosti zvarnih spojev aluminijeve zlitine se zmanjšajo zaradi nestabilne poroznosti med varjenjem. Aluminijeve zlitine vključujejo predvsem Zn, Mg in Al. Med postopkom varjenja ima aluminij višje vrelišče kot druga dva elementa. Zato je mogoče pri varjenju komponent iz aluminijeve zlitine dodati nekaj legirnih elementov z nizkim vreliščem, kar prispeva k nastanku majhnih lukenj in trdnosti varjenja.

1. Lasersko samofuzijsko varjenje aluminijeve zlitine

Lasersko varjenje s samotaljenjem se nanaša na laserski žarek z visoko energijsko gostoto kot vir toplote, ki vpliva na površino osnovnega materiala, tako da se osnovni material sam tali in tvori varilno metodo varjenja. Za lasersko varjenje aluminijeve zlitine ima površina aluminijeve zlitine visoko odbojnost laserja, med varjenjem pa je potrebna velika moč laserja. Premer laserske točke je majhen, natančnost varilne opreme je visoka, tolerančna vrednost reže delov je nizka, vrednost reže delov pa mora biti običajno pod 0. 2 mm. Med postopkom varjenja je hitrost segrevanja in hlajenja hitra, napak pri varjenju v poroznosti je veliko, gostota laserske energije je koncentrirana, učinek ključavnice pa zlahka povzroči pojav konkavnega zvara in ugriza robov, zato imajo parametri varilnega postopka višje zahteve. Lasersko samotalilno varjenje pri varjenju aluminijevih zlitin odraža prednosti dobre kakovosti varjenja, visoke hitrosti varjenja in enostavne avtomatizacije ter se pogosto uporablja v avtomobilski industriji. V industriji električnih vozil je tesnjenje ohišja električnega akumulatorja v glavnem izdelano z laserskim samotaličnim varjenjem iz aluminijeve zlitine. V aluminijasti karoseriji domačega avtomobilskega podjetja z novo energijo je varjenje sklopa vrat in strukture stranske stene prav tako izdelano z laserskim samotaličnim varjenjem iz aluminijeve zlitine.

2. Varjenje laserskega polnjenja žice iz aluminijeve zlitine

Pri varjenju z laserskim polnjenjem žice se laser še vedno uporablja kot glavni vir toplote za taljenje zvarjene kovine, vendar se naprava za samodejno dovajanje žice uporablja za neprekinjeno dovajanje polnjene kovine v talilni bazen, da se doseže postopek metalurške povezave. V primerjavi z laserskim varjenjem s samotaljenjem je lasersko varjenje s polnjenjem žice zmanjšalo zahteve glede natančnosti vrzeli varilnega postopka, s polnjenjem različnih komponent varilne žice izboljšalo metalurške lastnosti zvara, preprečilo vroče razpoke in pore pri varjenju, izboljšalo stabilnost varilnega postopka in mehanskih lastnosti spoja.

Lasersko varjenje z žico iz aluminijeve zlitine ima značilnosti dobre kakovosti videza, natančnost procesne vrzeli je manjša kot lasersko samotaljivo varjenje itd. Običajno se uporablja na zunanji površini telesa, na primer med zgornjim pokrovom in stransko steno, ter med zgornjo in spodnjo ploščo pokrova kovčka. Obstaja tudi nekaj modelov za višjo kakovost varjenja in uporabo laserskega varjenja z žico za varjenje vrat iz aluminijeve zlitine.

3. Lasersko obločno kompozitno varjenje iz aluminijeve zlitine

Lasersko obločno kompozitno varjenje je kombinacija laserja in obloka dveh vrst toplotnih virov z različnimi fizikalnimi lastnostmi in mehanizmom prenosa energije ter skupaj delujeta na zvarjenih delih. Oba v celoti izkoristita prednosti obeh virov toplote in nadomeščata pomanjkljivosti drug drugega. Pri lasersko obločnem kompozitnem varjenju aluminijeve zlitine lahko oblok vodi laserski vir toplote, izboljša absorpcijsko zmogljivost aluminijeve zlitine in stopnjo izkoriščenosti energije v procesu varjenja, površinska sposobnost oblikovanja zvara pa je boljša od laserske samotalilno varjenje. Poleg tega lahko uvedba obloka močno zmanjša natančnost vpenjanja varilnih delov, oblok pa ima učinek redčenja na plazmo laserskega varjenja, kar lahko zmanjša zaščitni učinek plazme na laser. Laser igra pomembno vlogo pri stabilnosti obloka, tako da lahko oblok med hitrim varjenjem stabilno deluje na spoj, kar lahko izboljša kakovost varjenja spoja in poveča hitrost varjenja.

Gostota energije laserskega varilnega žarka aluminijeve zlitine lahko doseže 109 W/cm2 in ima prednosti koncentriranega segrevanja, majhne toplotne poškodbe, velikega razmerja med globino in širino zvara ter majhne varilne deformacije. Postopek varjenja je enostaven za integracijo, avtomatiziran in prilagodljiv, kar omogoča hitro in visoko natančno varjenje, postopek varjenja pa ne potrebuje vakuumskega okolja in ne proizvaja rentgenskih žarkov, še posebej primeren za visoko natančnost varjenje kompleksnih konstrukcij. Najprivlačnejša značilnost laserskega varjenja aluminijeve zlitine je njegova visoka učinkovitost, in da bi dosegli polno učinkovitost te visoke učinkovitosti, jo je treba uporabiti za globoko varjenje velikih debelin. Zato bodo raziskave in uporaba visokozmogljivega laserja za varjenje z globokim prebojem velikih debelin neizogiben trend prihodnjega razvoja. Varjenje z globokim prebojem velike debeline poudarja pojav luknjic in njegov vpliv na poroznost zvara, zato mehanizem tvorbe in nadzor luknjic postajata čedalje večja, kar bo postalo vroča tema v industriji.

Izboljšanje stabilnosti postopka laserskega varjenja, oblikovanja zvara in kakovosti varjenja je cilj, ki mu ljudje sledijo. Zato se bodo nove tehnologije, kot so kompozitni proces z laserskim oblokom, lasersko varjenje s polnilno žico, lasersko varjenje brez prednastavljenega praška, tehnologija dvojnega fokusa, oblikovanje žarka, še izboljšale in razvile.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. je visokotehnološko podjetje, specializirano za raziskave in razvoj, proizvodnjo in prodajo avtomatskega laserskega stroja za oblaganje, visokohitrostnega laserskega stroja za oblaganje, laserskega kalilnega stroja, laserskega varilnega stroja in opreme za lasersko 3D tiskanje. Naši izdelki so stroškovno učinkoviti in se prodajajo doma in v tujini. Če vas zanimajo naši izdelki, nas kontaktirajte na bob@gshenglaser.com.