S rozvojom laserovej technológie a technológie vývoja hliníkových zliatin je obzvlášť dôležité ďalej vykonávať základný výskum technológie laserového zvárania hliníkovej zliatiny, vyvíjať novú technológiu laserového zvárania hliníkovej zliatiny a efektívnejšie rozširovať aplikačný potenciál laserového zvárania hliníkovej zliatiny. štruktúru, aby sme pochopili stav aplikácie a vývojový trend technológie laserového zvárania hliníkových zliatin.
Vysokopevnostná hliníková zliatina má vysokú špecifickú pevnosť, špecifickú tuhosť, dobrú odolnosť proti korózii, spracovateľský výkon a mechanické vlastnosti, stala sa nepostrádateľným kovovým materiálom pre konštrukčnú ľahkú výrobu v leteckom a kozmickom priemysle, na lodiach a v iných oblastiach dopravy, medzi ktorými sú lietadlá najpoužívanejšie. Technológia zvárania má jedinečné výhody pri zlepšovaní miery využitia konštrukčných materiálov, znižovaní hmotnosti konštrukcií a pri realizácii lacnej výroby zložitých a nepodobných materiálov, medzi ktorými je technológia zvárania hliníkovou zliatinou laserom horúcim miestom.
V porovnaní s inými metódami zvárania má laserové zváranie výhody centralizovaného ohrevu, malého tepelného poškodenia, veľkého pomeru hĺbky zvaru k šírke a malej deformácie zvárania. Proces zvárania je ľahko integrovaný, automatizovaný a flexibilný a je možné realizovať vysokorýchlostné a vysoko presné zváranie, zvlášť vhodné na vysoko presné zváranie zložitých štruktúr.
S rozvojom materiálovej technológie sa naďalej zavádzajú rôzne hliníkové zliatiny s vysokou pevnosťou a húževnatosťou, najmä tretia generácia zliatiny hliníka a lítia, vznik nových vysoko pevných hliníkových zliatin, technológia zvárania hliníka laserom predkladá viac a vyššie požiadavky, zatiaľ čo rozmanitosť hliníkových zliatin priniesla aj množstvo nových problémov s laserovým zváraním, preto musíme tieto problémy dôkladne preštudovať, aby sme efektívnejšie rozšírili aplikačný potenciál štruktúry laserového zvárania z hliníkovej zliatiny.
Vysokovýkonný laser
Laserové zváranie je technológia, ktorá vyžaruje laser s vysokou intenzitou na kovový povrch a spôsobuje, že sa kov roztaví a potom ochladí a kryštalizuje, aby sa vytvoril zvar prostredníctvom tepelného spojenia medzi laserom a kovom. Podľa mechanizmu tepelného pôsobenia laserového zvárania možno rozdeliť na zváranie tepelným vedením a zváranie hlbokou penetráciou dva druhy, prvé sa používa hlavne pri zváraní presných dielov alebo mikro a nano zváraní; Ten často vytvára efekt malej diery podobný zváraniu elektrónovým lúčom v procese zvárania, čím sa vytvorí hlboký a široký zvar. Realizácia zvárania hlbokou penetráciou laserom vyžaduje vysoký výkon lasera a v súčasnosti sa pri zváraní hlbokou penetráciou používajú štyri typy vysokovýkonných laserov.
1, CO2 plynový laser
Pracovným médiom je plyn CO2, výstupný laser s vlnovou dĺžkou 10,6μm, podľa štruktúry excitácie lasera je rozdelený na dva druhy priečneho prúdenia a axiálneho prúdenia. Hoci výstupný výkon cross-flow CO2 lasera dosiahol 150 kW, kvalita lúča je nízka a nie je vhodný na zváranie. Axiálny prietokový CO2 laser má lepšiu kvalitu lúča a možno ho použiť na zváranie hliníkových zliatin s vysokou laserovou odrazivosťou.
2, YAG pevný laser
Pracovným médiom je rubín, neodýmové sklo a neodýmom dopovaný ytriový hliníkový granát atď. Výstupná vlnová dĺžka je 1,06μm laser. YAG laser je ľahšie absorbovaný kovom ako CO2 laser a je menej ovplyvnený plazmou, pre prenos vlákien, flexibilnú zváraciu operáciu, dobrú dostupnosť polohy zvaru, je hlavným laserom na zváranie konštrukcie z hliníkovej zliatiny.
3, vláknový laser YLR
Je to nový typ lasera vyvinutý po roku 2002, ktorý používa vlákno ako matricový materiál, dopuje rôzne ióny vzácnych zemín a rozsah výstupnej vlnovej dĺžky je približne 1,08 μm, čo je tiež prenos vlákna. Revolučné použitie vláknitého laseru s dvojitým plášťom štruktúry vlákien, zvýšenie dĺžky čerpadla, zlepšenie účinnosti čerpadla, takže výstupný výkon vláknového lasera sa výrazne zvýši. V porovnaní s laserom YAG sa vláknový laser YLR objavuje neskôr, ale má výhody malej veľkosti, nízkych prevádzkových nákladov, vysokej kvality lúča a vysokého výkonu lasera.
Aplikačný výskum štruktúry laserového zvárania hliníkovej zliatiny
Od 90-tych rokov, s rozvojom vedy a techniky, vznikom vysokovýkonných vysokosvietivých laserov, integráciou technológie laserového zvárania, inteligentným, flexibilným, diverzifikovaným vývojom sa stáva vyspelejší, väčšia pozornosť doma iv zahraničí laserové zváranie v rôznych oblastiach aplikácie konštrukcie z hliníkovej zliatiny. V súčasnosti niektorí výrobcovia automobilov v Číne prijali technológiu laserového zvárania v niektorých nových modeloch, s vývojom technológie laserového zvárania pre hrubé plechy z hliníkovej zliatiny sa laserové zváranie v budúcnosti použije na konštrukciu obrneného vozidla.
Na realizáciu ľahkej výroby je súčasným výskumným centrom aplikácia a výskum laserového zvárania sendvičovej konštrukcie z hliníkovej zliatiny pri výrobe konštrukcií lodí a vysokorýchlostných vlakov. Hliníková zliatina je dôležitým kovovým konštrukčným materiálom pre letecké konštrukcie, takže v Japonsku, Spojených štátoch, Spojenom kráľovstve, Nemecku a ďalších rozvinutých krajinách prikladajú veľký význam výskumu technológie laserového zvárania hliníkových zliatin.
S rozvojom technológie zvárania vláknovým laserom sa v oblasti leteckej výroby vo vyspelých krajinách zaradilo zváranie vláknovým laserom a laserové oblúkové kompozitné zváranie ako zameranie technológie zvárania hliníkových zliatin, najmä zvárania hrubých plechov a zvárania odlišných kovov. Napríklad projekt NALI v Spojených štátoch vykonáva výskum vláknového laserového zvárania a technológie kompozitného zvárania laserovým oblúkom pre konštrukciu spaľovacej komory civilných lietadiel a leteckých motorov JSF.
Charakteristika laserového zvárania hliníkovej zliatiny
V porovnaní s konvenčným tavným zváraním, koncentráciou zahrievania laserového zvárania hliníkovej zliatiny, pomer hĺbky a šírky zvaru je veľký, deformácia zváracej štruktúry je malá, ale existujú určité nedostatky, zhrnuté takto:
(1) Malý priemer laserového zaostrovacieho bodu vedie k vysokým požiadavkám na zváranie obrobku a presnosť montáže, zvyčajne montážna medzera a množstvo nesprávnych hrán musia byť menšie ako 0,1 mm alebo 10 % dosky hrúbka, čo zvyšuje náročnosť realizácie zložitej trojrozmernej zváracej konštrukcie
(2) Pretože odrazivosť hliníkovej zliatiny voči laseru pri izbovej teplote je až 90 %, laserové zváranie hliníkovej zliatiny hlbokou penetráciou vyžaduje, aby mal laser vysoký výkon. Výskum laserového zvárania plechu z hliníkovej zliatiny ukazuje, že laserové zváranie hliníkovej zliatiny hlbokou penetráciou závisí od dvojitého prahu hustoty výkonu lasera a lineárnej energie, ktoré spoločne obmedzujú správanie zvarového kúpeľa v procese zvárania a nakoniec odrážajú vlastnosti tvárnenia. zvaru. Procesná optimalizácia zvaru s úplným prevarením môže byť hodnotená pomerom šírky chrbta charakteristík vytvárania zvarového švu.
(3) Teplota topenia hliníkovej zliatiny je nízka, tok tekutého kovu je dobrý, silné odparovanie kovu pôsobením vysokovýkonného lasera, oblak plazmy vyvolaný výparmi kovu / fotoindukovaný plazmou vytvorený s malým otvorom v procese zvárania ovplyvňuje absorpciu laserovej energie z hliníkovej zliatiny , čo vedie k nestabilite procesu zvárania s hlbokým prienikom, zvaru náchylnému na pórovitosť, zboreniu povrchu, okrajom a iným defektom;
(4) Rýchlosť ohrevu a chladenia laserového zvárania je rýchla a tvrdosť zvaru je vyššia ako tvrdosť oblúka, ale v dôsledku spaľovania legujúcich prvkov pri laserovom zváraní hliníkovej zliatiny, čo ovplyvňuje spevnenie zliatiny, zvar z hliníkovej zliatiny má stále problém s mäknutím, čím sa znižuje pevnosť zvarového spoja z hliníkovej zliatiny. Preto je hlavným problémom laserového zvárania hliníkovej zliatiny kontrola defektov zvaru a zlepšenie výkonu zvarových spojov.
Technológia kontroly defektov pri zváraní laserom z hliníkovej zliatiny
Pri pôsobení vysokovýkonného lasera sú hlavnými defektmi zvarových spojov zvarov s hlbokým prienikom hliníkovej zliatiny pórovitosť, zrútenie povrchu a okusovanie hrán, ktoré možno zlepšiť zváraním laserovým drôtom alebo kompozitným zváraním laserovým oblúkom. Je ťažké kontrolovať defekt pórovitosti zvaru.
Existujúce výsledky výskumu ukazujú, že pri laserovom hlbokopenetračnom zváraní hliníkovej zliatiny existujú dva typy charakteristických pórov. Jedným z nich sú metalurgické póry, ktoré sú spôsobené znečistením materiálu alebo vniknutím vzduchu do procesu zvárania, ako je oblúkové zváranie. Ďalším typom je pórovitosť procesu, ktorá je spôsobená nestabilným kolísaním malého otvoru, ktorý je súčasťou procesu zvárania s hlbokým prienikom lasera.
V procese laserového zvárania hlbokou penetráciou otvor často zaostáva za pohybom lúča v dôsledku viskózneho účinku tekutého kovu a jeho priemer a hĺbka kolíše pod vplyvom pár plazmy/kovu. S pohybom lúča a prúdením roztaveného kovu v bazéne sa na špičke otvoru v nepreniknutom zváraní s hlbokým prienikom objavujú bubliny v dôsledku prúdenia roztaveného kovu v bazéne a bubliny sa objavujú v úzkom páse uprostred otvor v plnom prieniku zváranie hlbokým prienikom. Bubliny migrujú a kotúľajú sa s prúdom tekutého kovu alebo unikajú z povrchu roztaveného kúpeľa alebo sú tlačené späť do malého otvoru, keď bubliny stuhnú roztaveným kúpeľom a zachytia sa prednou časťou kovu, to znamená, že sa stanú pórovitosť zvaru.
Je zrejmé, že pórovitosť kovu je riadená hlavne kontrolou povrchovej úpravy pred zváraním a primeranou ochranou plynu počas zvárania a kľúčom pórovitosti procesu je zabezpečiť stabilitu malého otvoru počas zvárania hlbokou penetráciou laserom. Podľa domáceho výskumu technológie laserového zvárania by sa pred zváraním, procesom zvárania, dodatočnou úpravou rôznych spojov po zváraní mala zvážiť kontrola pórovitosti zvárania laserom z hliníkovej zliatiny s hlbokým prienikom, zhrnuté ako nasledujúce nové procesy a nové technológie.
1, metóda spracovania pred zváraním
Povrchová úprava pred zváraním je efektívnym spôsobom kontroly metalurgických pórov laserového zvárania hliníkovej zliatiny, zvyčajne metódy povrchovej úpravy majú fyzikálne a mechanické čistenie, chemické čistenie, v posledných rokoch došlo k čisteniu laserovým šokom, čo ďalej zlepší stupeň automatizácie laserového zvárania.
2, kontrola optimalizácie stability parametrov
Parametre procesu zvárania laserom z hliníkovej zliatiny sú zvyčajne hlavne výkon lasera, rozostrenie, rýchlosť zvárania a zloženie a prietok ochrany plynu. Tieto parametre ovplyvňujú nielen ochranný účinok zvarovej oblasti, ale aj stabilitu procesu zvárania hlbokou penetráciou laserom, čím ovplyvňujú pórovitosť zvaru. Prostredníctvom laserového zvárania plechu z hliníkovej zliatiny hlbokou penetráciou sa zistilo, že stabilita prieniku malých otvorov ovplyvňuje stabilitu zvarového kúpeľa a potom ovplyvňuje tvorbu zvaru, čo vedie k poruchám pórovitosti zvaru. Stabilita laserového zvárania s hlbokým prienikom navyše súvisí s hustotou výkonu lasera a prispôsobením lineárneho množstva, takže stanovenie primeraných parametrov procesu stabilnej tvorby zvaru je účinným opatrením na účinnú kontrolu pórovitosti laserového zvaru z hliníkovej zliatiny.
Výsledky ukazujú, že pomer šírky zadnej strany zvaru k šírke povrchu zvaru (pomer zadnej šírky zvaru) sa používa na hodnotenie tvorby zvaru a stability plechu z hliníkovej zliatiny. Keď sa hustota výkonu lasera a energia čiary primerane zhodujú, možno zaručiť pomer spätného zvaru k šírke a účinne kontrolovať pórovitosť zvaru.
3, dvojité bodové laserové zváranie
Dvojité bodové laserové zváranie označuje zvárací proces, pri ktorom dva zaostrené laserové lúče pôsobia súčasne na rovnaký zvarový kúpeľ. V procese zvárania hlbokou penetráciou laserom je jedným z hlavných dôvodov vzniku pórovitosti to, že plyn v malom otvore je uzavretý vo zvarovom kúpeli okamžitým uzáverom. Pri použití dvojbodového laserového zvárania v dôsledku pôsobenia dvoch svetelných zdrojov veľký otvor malého otvoru prispieva k úniku vnútornej kovovej pary a tiež prispieva k stabilite malého otvoru, takže na zníženie pórovitosti zvaru. Štúdie laserového zvárania hliníkových zliatin A356, AA5083, 2024 a 5A90 ukazujú, že dvojité bodové laserové zváranie môže výrazne znížiť pórovitosť zvaru.
4, laserové oblúkové kompozitné zváranie
Laserové oblúkové kompozitné zváranie je metóda zvárania, pri ktorej sa laser a oblúk aplikujú na rovnaký zvarový kúpeľ. Vo všeobecnosti pri použití lasera ako hlavného zdroja tepla môže interakcia medzi laserom a oblúkom zlepšiť hĺbku laserového zvárania a rýchlosť zvárania a znížiť presnosť zostavy zvárania. Stabilitu otvorov pre laserové zváranie je možné zlepšiť použitím prídavného drôtu na kontrolu vlastností mikroštruktúry zváraných spojov a pomocný efekt oblúka môže pomôcť znížiť pórovitosť zvaru.
V procese laserového oblúkového kompozitného zvárania oblúk ovplyvňuje oblak kovových pár / plazmy vyvolaný laserovým procesom, čo prispieva k absorpcii laserovej energie a stabilite malých otvorov. Jeho účinnosť preukázali aj výsledky laserového oblúkového kompozitného zvárania hliníkovej zliatiny.
5, zváranie vláknovým laserom
Účinok malých otvorov pri procese zvárania hlbokou penetráciou laserom je spôsobený silným odparovaním kovu pôsobením lasera. Sila pary pri odparovaní kovu úzko súvisí s hustotou výkonu lasera a kvalitou lúča, čo ovplyvňuje nielen hĺbku prieniku laserového zvárania, ale ovplyvňuje aj stabilitu malých otvorov. Seiji. Et al. výskum na vysokovýkonnom vláknovom laseri z nehrdzavejúcej ocele SUS304 ukazuje, že zvarový kúpeľ sa počas vysokorýchlostného zvárania predĺži, čo zabraňuje rozstreku, malé kolísanie otvoru je stabilné a hrot malého otvoru nemá žiadne bubliny. Keď sa vláknový laser používa na vysokorýchlostné zváranie zliatiny titánu a zliatiny hliníka, možno tiež dosiahnuť zvar bez pórov. Allen a kol. výskum technológie riadenia ochranného plynu pri laserovom zváraní titánových zliatinových vlákien ukazuje, že riadením polohy zváracieho ochranného plynu sa dá zabrániť zapojeniu plynu, môže sa skrátiť čas zatvárania malých otvorov, stabilizovať zváranie malých otvorov a správanie tuhnutia zvarového kúpeľa sa môže zmeniť, čím sa zníži pórovitosť zvaru.
6, pulzné laserové zváranie
V porovnaní s kontinuálnym laserovým zváraním využíva laserový výstup pulzujúci režim, ktorý môže podporovať periodický a stabilný tok roztaveného kúpeľa, čo vedie k úniku bubliny v roztavenom bazéne a znižuje pórovitosť zvaru. TY Kuo a SL Jeng študovali vplyv režimu výstupného výkonu lasera YAG laserového zvárania na pórovitosť a vlastnosti zvarov z nehrdzavejúcej ocele SUS 304L a superzliatiny inconel 690. Výsledky ukazujú, že: Pri pulznom laserovom zváraní so štvorcovými vlnami, keď je základný výkon 1700 W, pórovitosť zvaru klesá so zvyšujúcou sa amplitúdou pulzu ΔP a pórovitosť nehrdzavejúcej ocele klesá z 2,1 % na 0,5 % a pórovitosť zvaru superzliatina klesá zo 7,1 % na 0,5 %.
7, technológia spracovania kompozitov po zváraní
V praktických strojárskych aplikáciách, aj keď je povrchová úprava pred zváraním prísna a proces zvárania je stabilný, laserové zváranie hliníkovej zliatiny nevyhnutne vytvorí pórovitosť zvaru, takže použitie úpravy po zváraní na odstránenie pórovitosti je veľmi dôležité. V súčasnosti je metódou najmä modifikované zváranie. Technológia izostatického lisovania za tepla je jednou z metód na odstránenie pórovitosti a zmršťovania odliatkov z hliníkovej zliatiny a je kombinovaná s tepelným spracovaním hliníkovej zliatiny po zváraní laserom, aby sa vytvoril kompozitný proces izostatického lisovania za tepla a tepelného spracovania hliníkovej zliatiny. laserové zváranie komponentov, čo nielen eliminuje pórovitosť zvaru, ale tiež zlepšuje výkon spoja.
Vzhľadom na vlastnosti hliníkovej zliatiny stále existuje veľa problémov pri aplikácii vysokovýkonného laserového zvárania, hlavným problémom je kontrola defektu pórovitosti zvaru a zlepšenie kvality zvárania. Aby sa zlepšila stabilita zváracieho procesu, technická kontrola pórovitosti zvaru hliníka by mala zvážiť všetky aspekty pred zváraním, počas zvárania a po zváraní. Odvodilo sa tak mnoho nových technológií a procesov, ako je čistenie laserom pred zváraním, optimalizácia riadenia pomeru šírky chrbta parametrov procesu, zváranie dvojitým laserom, zváranie laserovým oblúkom, pulzné laserové zváranie a zváranie vláknovým laserom.
