S rozvojem laserové technologie a technologie vývoje hliníkových slitin je zvláště důležité dále provádět základní výzkum aplikační technologie laserového svařování hliníkové slitiny, vyvíjet novou technologii laserového svařování hliníkové slitiny a efektivněji rozšiřovat aplikační potenciál laserového svařování hliníkové slitiny. struktura, aby bylo možné porozumět stavu aplikace a trendu vývoje technologie laserového svařování hliníkových slitin.
Vysokopevnostní hliníková slitina má vysokou měrnou pevnost, specifickou tuhost, dobrou odolnost proti korozi, zpracovatelský výkon a mechanické vlastnosti, stala se nepostradatelným kovovým materiálem pro konstrukční lehkou výrobu v letectví, na lodích a v dalších oblastech dopravy, mezi nimiž jsou nejpoužívanější letadla. Technologie svařování má jedinečné výhody ve zlepšení míry využití konstrukčních materiálů, snížení hmotnosti konstrukcí a realizaci levné výroby složitých a nepodobných materiálů, mezi nimiž je technologie laserového svařování hliníkové slitiny horkým místem.
Ve srovnání s jinými metodami svařování má laserové svařování výhody centralizovaného ohřevu, malého tepelného poškození, velkého poměru hloubky svaru k šířce a malé deformace svařování. Proces svařování je snadno integrovatelný, automatizovaný a flexibilní a lze realizovat vysokorychlostní a vysoce přesné svařování, zvláště vhodné pro vysoce přesné svařování složitých konstrukcí.
S rozvojem materiálové technologie jsou nadále zaváděny různé vysoce pevné a vysoce houževnaté hliníkové slitiny, zejména třetí generace slitiny hliníku a lithia, vznik nových vysoce pevných hliníkových slitin, technologie laserového svařování hliníku předkládá více a vyšší požadavky, zatímco rozmanitost hliníkových slitin také přinesla řadu nových problémů s laserovým svařováním, takže musíme tyto problémy hloubkově prostudovat, abychom efektivněji rozšířili aplikační potenciál struktury laserového svařování z hliníkové slitiny.
Vysoce výkonný laser
Laserové svařování je technologie, která vyzařuje laser o vysoké intenzitě na kovový povrch a kov roztaví a poté ochladí a krystalizuje za vzniku svaru prostřednictvím tepelného spojení mezi laserem a kovem. Podle mechanismu tepelného působení laserového svařování lze rozdělit na svařování tepelným vedením a svařování s hlubokým průnikem dva druhy, první se používá hlavně při svařování přesných dílů nebo mikro a nano svařování; Posledně jmenovaný často vytváří efekt malé díry podobný svařování elektronovým paprskem při svařovacím procesu a vytváří hluboký a široký svar. Realizace laserového hloubkového penetračního svařování vyžaduje vysoký výkon laseru a v současné době se při laserovém hloubkovém penetračním svařování používají čtyři typy vysoce výkonných laserů.
1, CO2 plynový laser
Pracovním médiem je plyn CO2, výstupní laser o vlnové délce 10,6μm, podle struktury excitace laseru se dělí na dva druhy příčné proudění a axiální proudění. Přestože výstupní výkon cross-flow CO2 laseru dosáhl 150 kW, kvalita paprsku je špatná a není vhodný pro svařování. Axiální průtokový CO2 laser má lepší kvalitu paprsku a lze jej použít pro svařování hliníkových slitin s vysokou odrazivostí laseru.
2, YAG pevný laser
Pracovním médiem je rubín, neodymové sklo a neodymem dopovaný yttriový hliníkový granát atd. Výstupní vlnová délka je 1,06μm laser. YAG laser je snáze absorbován kovem než CO2 laser a je méně ovlivněn plazmou, pro přenos vláken, flexibilní svařovací provoz, dobrou dostupnost polohy svaru, je hlavním laserem pro svařování konstrukce z hliníkové slitiny.
3, vláknový laser YLR
Jedná se o nový typ laseru vyvinutý po roce 2002, který používá vlákno jako matricový materiál, dopuje různé ionty vzácných zemin a výstupní vlnová délka je asi 1,08 μm, což je také přenos vláken. Revoluční použití vláknového laseru s dvojitým pláštěm struktury vláken, zvýšení délky čerpadla, zlepšení účinnosti čerpadla, takže výstupní výkon vláknového laseru se výrazně zvýší. Ve srovnání s YAG laserem se vláknový laser YLR objevuje později, ale má výhody malých rozměrů, nízkých provozních nákladů, vysoké kvality paprsku a vysokého výkonu laseru.
Aplikační výzkum struktury laserového svařování hliníkové slitiny
Od 90. let 20. století, s rozvojem vědy a techniky, vznikem vysoce výkonných laserů s vysokým jasem, integrací technologie laserového svařování, inteligentním, flexibilním, diverzifikovaným vývojem se stává zralejší, větší pozornost doma i v zahraničí laserové svařování v různých oborech aplikace konstrukce z hliníkové slitiny. V současné době někteří výrobci automobilů v Číně přijali technologii laserového svařování v některých nových modelech, s vývojem technologie laserového svařování pro tlusté plechy z hliníkové slitiny, laserové svařování bude v budoucnu aplikováno na konstrukci obrněných vozidel.
Aby bylo možné realizovat lehkou výrobu, je aplikace a výzkum laserového svařování sendvičových konstrukcí z hliníkové slitiny při výrobě konstrukcí lodí a vysokorychlostních vlaků aktuálním výzkumným centrem. Hliníková slitina je důležitým kovovým konstrukčním materiálem pro letecké konstrukce, takže v Japonsku, Spojených státech, Spojeném království, Německu a dalších rozvinutých zemích přikládají velký význam výzkumu technologie laserového svařování hliníkových slitin.
S rozvojem technologie vláknového laserového svařování zařadila oblast letecké výroby vyspělých zemí vláknové laserové svařování a technologii laserového obloukového kompozitního svařování jako zaměření technologie svařování hliníkových slitin, zejména svařování tlustých plechů a svařování nepodobných kovů. Například projekt NALI ve Spojených státech provádí výzkum vláknového laserového svařování a technologie laserového obloukového kompozitního svařování pro konstrukci spalovací komory civilních letadel a leteckých motorů JSF.
Charakteristika laserového svařování hliníkových slitin
Ve srovnání s konvenčním tavným svařováním, koncentrace ohřevu laserového svařování hliníkové slitiny, poměr hloubky svaru k šířce je velký, deformace svařovací struktury je malá, ale existují některé nedostatky, shrnuto následovně:
(1) Malý průměr laserového zaostřovacího bodu vede k vysokým požadavkům na svařování obrobku a přesnost montáže, obvykle montážní mezera a množství špatných hran musí být menší než 0,1 mm nebo 10 % desky tloušťky, což zvyšuje obtížnost realizace složité trojrozměrné svařovací struktury
(2) Vzhledem k tomu, že odrazivost hliníkové slitiny vůči laseru při pokojové teplotě je až 90 %, vyžaduje laserové svařování hliníkové slitiny hlubokou penetrací, aby měl laser vysoký výkon. Výzkum laserového svařování plechu z hliníkové slitiny ukazuje, že laserové hloubkové penetrační svařování hliníkové slitiny závisí na dvojitém prahu hustoty výkonu laseru a lineární energie, které společně omezují chování svarové lázně při procesu svařování a nakonec se odrážejí na charakteristikách tváření. svaru. Optimalizaci procesu svaru s plným průvarem lze vyhodnotit poměrem šířky hřbetu k charakteristikám tvorby svaru.
(3) Teplota tání hliníkové slitiny je nízká, tok tekutého kovu je dobrý, silné odpařování kovu působením vysokovýkonného laseru, oblak plazmy vytvořený párou kovu / fotoindukovaný s malým otvorem v procesu svařování ovlivňuje absorpci laserové energie hliníkovou slitinou , což má za následek nestabilitu procesu svařování hlubokým průvarem, náchylnost k poréznosti svaru, zborcení povrchu, hrany a jiné vady;
(4) Rychlost ohřevu a chlazení laserového svařování je rychlá a tvrdost svaru je vyšší než u oblouku, ale v důsledku spalování legujících prvků při laserovém svařování hliníkové slitiny, které ovlivňuje zpevnění slitiny, svar z hliníkové slitiny má stále problém s měknutím, čímž se snižuje pevnost svarového spoje z hliníkové slitiny. Proto je hlavním problémem laserového svařování hliníkové slitiny kontrola vad svaru a zlepšení výkonu svarových spojů.
Technologie kontroly vad laserového svařování hliníkové slitiny
Při působení vysokovýkonného laseru jsou hlavními defekty laserových svařovacích spojů z hliníkové slitiny poréznost, zhroucení povrchu a okusování hran, což lze zlepšit svařováním laserovým drátem nebo kompozitním svařováním laserem. Je obtížné kontrolovat poréznost svaru.
Dosavadní výsledky výzkumu ukazují, že při laserovém hlubokopenetračním svařování hliníkové slitiny existují dva typy charakteristických pórů. Jedním z nich jsou metalurgické póry, které jsou způsobeny znečištěním materiálu nebo průnikem vzduchu při svařovacím procesu, jako je obloukové tavné svařování. Druhým typem je procesní pórovitost, která je způsobena nestabilním kolísáním malého otvoru, který je vlastní procesu laserového svařování hlubokou penetrací.
V procesu laserového svařování hlubokou penetrací se otvor často opožďuje za pohybem paprsku v důsledku viskózního účinku tekutého kovu a jeho průměr a hloubka kolísají vlivem plazmy/par kovu. S pohybem paprsku a prouděním roztaveného kovu v bazénu se na špičce otvoru v neproniknutelném hlubokém penetračním svařování objevují bubliny v důsledku proudění roztaveného kovu v bazénu a bubliny se objevují v úzkém pásu uprostřed díra v plném průvaru hlubokého průvaru. Bubliny migrují a valí se s proudem tekutého kovu nebo unikají z povrchu roztavené lázně nebo jsou zatlačeny zpět do malého otvoru, když bubliny ztuhnou roztavenou lázní a zachytí se přední částí kovu, to znamená, že se stanou poréznost svaru.
Je zřejmé, že pórovitost kovu je řízena hlavně kontrolou povrchové úpravy před svařováním a přiměřenou ochranou plynu během svařování a klíčem k poréznosti procesu je zajistit stabilitu malého otvoru během svařování s hlubokým pronikáním laserem. Podle domácího výzkumu technologie laserového svařování by se před svařováním, svařovacím procesem, svařovacím dodatečným zpracováním různých spojů mělo zvážit řízení pórovitosti laserového svařování z hliníkové slitiny s hlubokým průnikem, shrnuto jako následující nové procesy a nové technologie.
1, metoda ošetření před svařováním
Povrchová úprava před svařováním je účinný způsob, jak kontrolovat laserové svary hliníkové slitiny, metalurgické póry, obvykle metody povrchové úpravy mají fyzikální a mechanické čištění, chemické čištění, v posledních letech došlo k čištění laserovým šokem, což dále zlepší stupeň automatizace laserového svařování.
2, optimalizace stability parametrů řízení
Parametry procesu laserového svařování hliníkové slitiny jsou obvykle hlavně výkon laseru, rozostření, rychlost svařování a složení a průtok ochrany plynu. Tyto parametry ovlivňují nejen ochranný účinek svarové oblasti, ale také stabilitu procesu svařování laserem s hlubokým průvarem, čímž ovlivňují pórovitost svaru. Prostřednictvím laserového hlubokého penetračního svařování plechu z hliníkové slitiny bylo zjištěno, že stabilita pronikání malých otvorů ovlivňuje stabilitu svarové lázně a následně ovlivňuje tvorbu svaru, což má za následek defekty poréznosti svaru. Stabilita laserového svařování s hlubokou penetrací navíc souvisí s hustotou výkonu laseru a lineárním přizpůsobením kvantity, takže stanovení přiměřených procesních parametrů stabilní tvorby svaru je účinným opatřením pro účinnou kontrolu poréznosti laserového svaru hliníkové slitiny.
Výsledky ukazují, že poměr šířky hřbetu svaru k šířce povrchu svaru (poměr šířky hřbetu svaru) se používá pro hodnocení tvorby svaru a stability plechu z hliníkové slitiny. Když se hustota výkonu laseru a energie čáry rozumně shodují, lze zaručit poměr zpětného svaru k šířce a účinně kontrolovat poréznost svaru.
3, dvojité bodové laserové svařování
Dvojité bodové laserové svařování označuje svařovací proces, při kterém dva zaostřené laserové paprsky působí na stejnou svarovou lázeň současně. V procesu laserového svařování hlubokou penetrací je jedním z hlavních důvodů vzniku poréznosti to, že plyn v malém otvoru je uzavřen ve svarové lázni okamžitým uzavřením. Při použití dvoubodového laserového svařování je díky působení dvou světelných zdrojů velký otvor malého otvoru vhodný k úniku vnitřních kovových par a také ke stabilitě malého otvoru, takže ke snížení pórovitosti svaru. Studie laserového svařování hliníkových slitin A356, AA5083, 2024 a 5A90 všechny ukazují, že dvoubodové laserové svařování může výrazně snížit poréznost svaru.
4, laserové obloukové kompozitní svařování
Laserové obloukové kompozitní svařování je metoda svařování, při které jsou laser a oblouk aplikovány na stejnou svarovou lázeň. Obecně při použití laseru jako hlavního zdroje tepla může interakce mezi laserem a obloukem zlepšit hloubku laserového svařování a rychlost svařování a snížit přesnost svařovací sestavy. Stabilitu otvorů pro laserové svařování lze zlepšit použitím přídavného drátu k řízení vlastností mikrostruktury svarových spojů a pomocný účinek oblouku může pomoci snížit poréznost svaru.
V procesu laserového obloukového kompozitního svařování oblouk ovlivňuje oblak kovových páry/plazmy indukovaný laserovým procesem, což přispívá k absorpci laserové energie a stabilitě malých otvorů. Jeho účinnost prokázaly i výsledky laserového obloukového kompozitního svařování hliníkové slitiny.
5, vláknové laserové svařování
Efekt malých otvorů při procesu svařování laserem s hlubokým průnikem je způsoben silným odpařováním kovu působením laseru. Síla páry při odpařování kovu úzce souvisí s hustotou výkonu laseru a kvalitou paprsku, což ovlivňuje nejen hloubku průniku laserového svařování, ale ovlivňuje také stabilitu malých otvorů. Seiji. Et al. výzkum vysokovýkonného vláknového laseru z nerezové oceli SUS304 ukazuje, že svarová lázeň se prodlužuje během vysokorychlostního svařování, což zabraňuje rozstřiku, malé kolísání otvoru je stabilní a hrot malého otvoru nemá žádné bubliny. Když je vláknový laser použit pro vysokorychlostní svařování titanové slitiny a hliníkové slitiny, lze také získat svar bez pórů. Allen a kol. Výzkum technologie řízení ochranného plynu při laserovém svařování s vlákny z titanové slitiny ukazuje, že řízením polohy svařovacího ochranného plynu lze zabránit zapojení plynu, lze zkrátit dobu uzavírání malých otvorů, stabilizovat svařování malých otvorů a chování při tuhnutí svarové lázně lze změnit, čímž se sníží poréznost svaru.
6, pulzní laserové svařování
Ve srovnání s kontinuálním laserovým svařováním využívá laserový výstup pulzující režim, který může podporovat periodický a stabilní tok roztavené lázně, což přispívá k úniku bubliny v roztavené lázni a snižuje poréznost svaru. TY Kuo a SL Jeng studovali vliv režimu výstupního výkonu laseru laserového svařování YAG na poréznost a vlastnosti svarů z nerezové oceli SUS 304L a superslitiny inconel 690. Výsledky ukazují, že: U pulsního laserového svařování obdélníkových vln, když je základní výkon 1700 W, pórovitost sváru klesá s rostoucí amplitudou pulzu ΔP a pórovitost nerezové oceli klesá z 2,1 % na 0,5 % a pórovitost svaru superslitina klesá ze 7,1 % na 0,5 %.
7, technologie zpracování kompozitů po svařování
V praktických strojírenských aplikacích, i když je povrchová úprava před svařováním přísná a svařovací proces je stabilní, laserové svařování hliníkové slitiny nevyhnutelně způsobí poréznost svaru, takže použití úpravy po svařování k odstranění poréznosti je velmi důležité. V současnosti je metodou především modifikované svařování. Technologie izostatického lisování za tepla je jednou z metod eliminace pórovitosti a smrštění odlitků z hliníkové slitiny a je kombinována s tepelným zpracováním hliníkové slitiny po laserovém svařování za vzniku kompozitního procesu izostatického lisování za tepla a tepelného zpracování hliníkové slitiny. laserové svařovací komponenty, což nejen eliminuje poréznost svaru, ale také zlepšuje výkon spoje.
Vzhledem k vlastnostem hliníkové slitiny stále existuje mnoho problémů při aplikaci vysokovýkonného laserového svařování, hlavním problémem je kontrola defektu poréznosti svaru a zlepšení kvality svařování. Aby se zlepšila stabilita svařovacího procesu, měla by technická kontrola poréznosti laserového svaru hliníkové slitiny zvážit všechny aspekty před svařováním, během svařování a po svařování. Bylo tak odvozeno mnoho nových technologií a procesů, jako je předsvařovací laserové čištění, optimalizace řízení poměru šířky zpětného poměru parametrů svařovacího procesu, dvoupaprskové laserové svařování, laserové obloukové kompozitní svařování, pulzní laserové svařování a vláknové laserové svařování.
