Применение технологии лазерной сварки при сварке алюминиевых сплавов

Использование алюминиевого сплава для замены традиционной стали в автомобиле является одним из важных способов снижения веса автомобиля. Однако из-за характеристик алюминиевого сплава с хорошей теплопроводностью и большим коэффициентом линейного расширения при сварке возникают некоторые проблемы:

1) Сварное соединение из алюминиевого сплава серьезно размягчается, низкий коэффициент прочности;

2) Алюминиевый сплав легко окисляется для получения тугоплавкой оксидной пленки (Al2O3, температура плавления 2060 градусов), для которой необходимо использовать процесс сварки с высокой плотностью мощности;

3) Легко создавать поры;

4) Коэффициент линейного расширения велик, легко вызвать сварочную деформацию и сварочные трещины;

5) Теплопроводность и удельная теплоемкость большие, а тепловложение в 2-4 раза больше, чем у сварной стали.

Поэтому для получения высокопроизводительных сварных соединений из алюминиевых сплавов необходимы высокая плотность энергии, низкая погонная энергия сварки и высокая скорость сварки, среди которых одной из наиболее перспективных технологий сварки алюминиевых сплавов является лазерная сварка.

Лазерная сварка — это эффективный и точный метод сварки, в котором в качестве источника тепла используется лазерный луч с высокой плотностью энергии, который отличается высокой скоростью, большим проникновением, небольшой деформацией, хорошей гибкостью обработки и простой автоматизацией при сварке алюминиевых сплавов. Он широко используется в аэрокосмической, автомобильной, легкой промышленности, электронике и других областях, но также используется при лазерной сварке алюминиевых сплавов. Есть также некоторые проблемы и трудности.

1.1 Алюминиевый сплав имеет очень низкую степень поглощения лазерного излучения.

Алюминиевый сплав оказывает сильное отражающее воздействие на лазер, что обусловлено высокой плотностью свободных электронов в твердом состоянии алюминиевого сплава, которые легко отражают энергию фотона в луче. Исследования показывают, что коэффициент отражения алюминиевого сплава для газового CO2-лазера достигает 90%, а коэффициент отражения твердотельного лазера близок к 80%. В то же время алюминиевый сплав обладает высокой теплопроводностью, что приводит к очень низкой скорости поглощения лазера из алюминиевого сплава. Поэтому необходимо принять соответствующие меры для улучшения скорости лазерного поглощения алюминиевого сплава.

Меры оптимизации:

1) Путем увеличения плотности мощности лазера для улучшения поглощения лазера из алюминиевого сплава. Увеличение плотности мощности лазера вызовет эффект небольших отверстий в сварочной ванне, что может значительно улучшить скорость поглощения материала лазером.

2) Принять соответствующий процесс предварительной обработки поверхности. Для сравнения поглощающей способности лазерного излучения алюминиевого сплава использовались электролитическая полировка, анодирование и пескоструйная обработка. Было обнаружено, что анодирование и пескоструйная обработка поверхностей из алюминиевых сплавов могут значительно улучшить поглощающую способность лазера.

3) Также обнаружено, что форма сустава влияет на поглощение лазера. V-образный скос и квадратный скос более способствуют образованию замочных скважин, чем нескошенные соединения, а плотность мощности лазера увеличивается, а также увеличивается скорость поглощения лазера алюминиевым сплавом.

1.2 Легко образовывать поры

Поры являются наиболее распространенным и важным дефектом при лазерной сварке алюминиевых сплавов. Типы пор можно разделить на две категории. Во-первых, из-за резкого снижения растворимости водорода в процессе охлаждения при лазерной сварке алюминиевого сплава содержание водорода в расплавленном алюминиевом сплаве может достигать {{0}},69 мл/100 г, содержание водорода алюминиевого сплава после охлаждения и затвердевания составляет 0,036 мл/100 г, а пересыщенный водород выпадает в осадок с образованием водородных пор. Кроме того, на поверхности алюминиевого сплава имеется оксидная пленка, а вода в кристаллической воде, воздух и защитный газ на поверхности алюминиевого сплава непосредственно разлагаются на водород во время сварки. Эти водородные поры слишком поздно выходят во время процесса быстрого охлаждения при лазерной сварке алюминиевых сплавов и остаются в сварном шве, образуя водородные поры. Другая связана с нестабильностью замочной скважины, образующейся в процессе лазерной сварки, и разрушением, и жидкий металл не успевает заполнить отверстие. Излишняя пористость приведет к уменьшению плотности сварного шва, уменьшению несущей способности соединения, снижению в разной степени прочности и пластичности соединения. Существует множество мер по уменьшению дефектов пористости при лазерной сварке алюминиевых сплавов, таких как изменение траектории движения лазерного луча, использование колебаний луча для перемешивания расплавленной ванны, увеличение возможности выхода пористости с поверхности, использование проволоки или сплава. порошка, а с помощью двухточечной технологии и лазерной композитной сварки можно добиться эффекта уменьшения пористости, но принципиально устранить его сложно.

1.3 Склонность к горячему растрескиванию

Причина появления горячих трещин при лазерной сварке алюминиевого сплава в основном связана с его собственными характеристиками и процессом сварки. Во время затвердевания алюминиевого сплава степень усадки велика (до 5%), сварочное напряжение и деформация велики, а металл сварного шва образует эвтектическую структуру с низкой температурой плавления вдоль границы зерна во время кристаллизации, так что граница зерна Сила связи ослабляется, и под действием растягивающих напряжений образуются горячие трещины. Тенденцию к горячему растрескиванию можно уменьшить, заполнив проволоку или порошок сплава, а склонность к горячему растрескиванию также можно уменьшить, регулируя параметры процесса сварки для контроля скорости нагрева и охлаждения.

1.4 Размягчение структуры сварного шва и зоны термического влияния

«Размягчение» — явление снижения прочности и твердости сварных соединений. При использовании лазерной сварки соединения алюминиевого сплава структура сварного шва и зона термического влияния сварного соединения также имеют проблемы с размягчением. Большое количество исследований показало, что явление разупрочнения при сварке алюминиевых сплавов трудно устранить принципиально, но по сравнению со сваркой в ​​защитных газах лазерная сварка снижает погонную энергию и делает зону размягчения сварного шва более узкой. По сравнению со сваркой MIG степень «размягчения» соединений алюминиевых сплавов, сваренных лазерной сваркой, ниже, а прочность на разрыв увеличивается с увеличением скорости сварки. Влияние плазмы на процесс сварки Энергия ионизации алюминиевого элемента невелика, при лазерной сварке легче образовывать металлическую плазму, плазма, вызванная преломлением и отклонением лазера, тем самым изменяя фокус лазерного луча, так что степень проплавления сварного шва уменьшается, влияющие на качество сварного соединения. За счет предварительной установки порошка на поверхность заготовки расширение и пульсация плазмы в направлении высоты ослабляются, так что плазма может поддерживать относительно стабильную амплитуду пульсаций на поверхности заготовки.

2.1 Лазерная сварка самоплавлением алюминиевых сплавов

Лазерная сварка самосваркой представляет собой лазерный луч с высокой плотностью энергии в качестве источника тепла, воздействующего на поверхность основного материала, в результате чего сам основной материал плавится, образуя метод сварки сварочного соединения. При лазерной сварке алюминиевого сплава поверхность алюминиевого сплава имеет высокую отражательную способность лазера, и во время сварки требуется большая мощность лазера. Диаметр лазерного пятна небольшой, точность сварочного оборудования высокая, значение допуска на зазор деталей низкое, а значение зазора деталей обычно должно быть ниже 0. 2 мм. Во время процесса сварки скорость нагрева и охлаждения высокая, дефектов сварочной пористости много, плотность лазерной энергии концентрируется, а эффект замочной скважины легко вызывает явление вогнутости сварного шва и закусывания кромок, поэтому параметры процесса сварки имеют более высокие требования. Лазерная сварка самоплавлением при сварке алюминиевых сплавов отражает преимущества хорошего качества сварки, высокой скорости сварки и простоты автоматизации и широко используется в автомобильной промышленности. В электромобильной промышленности уплотнение корпуса силовой батареи в основном изготавливается с помощью лазерной самосварки алюминиевого сплава. В алюминиевом кузове отечественной автомобильной компании, работающей на новых источниках энергии, сварка дверного узла и конструкции боковой стенки также выполнена лазерной самосваркой из алюминиевого сплава.

2.2 Лазерная заливочная сварка алюминиевого сплава

При лазерной заливочной сварке лазер по-прежнему используется в качестве основного источника тепла для плавления свариваемого металла, но устройство автоматической подачи проволоки используется для непрерывной подачи заполняющего металла в ванну расплава для осуществления процесса металлургического соединения. По сравнению с лазерной сваркой самоплавлением, сварка с заполнением лазерной проволокой ослабила требования к точности зазора сварочного процесса, заполнив различные компоненты сварочной проволоки, улучшив металлургические свойства сварного шва, предотвратив появление горячих трещин и пор при сварке, улучшив качество сварки. стабильность сварочного процесса и механических свойств соединений.

Лазерная сварка алюминиевого сплава имеет характеристики хорошего внешнего вида, точность технологического зазора ниже, чем у лазерной сварки самоплавлением и т. д. Обычно она используется на внешней поверхности корпуса, например, между верхней крышкой и боковой стенкой. , а также между верхней и нижней пластинами крышки чемодана. Существуют также модели, позволяющие получить более высокое качество сварки и использовать лазерную сварку для сварки дверей из алюминиевого сплава.

2.3 Лазерно-дуговая сварка композитов из алюминиевых сплавов

Лазерно-дуговая сварка композитов представляет собой сочетание двух видов лазерных и дуговых источников тепла с разными физическими свойствами и механизмом передачи энергии, которые совместно воздействуют на свариваемые детали. Оба варианта в полной мере раскрывают преимущества двух источников тепла и компенсируют недостатки друг друга. При лазерно-дуговой композитной сварке алюминиевого сплава дуга может направлять лазерный источник тепла, улучшать поглощающую способность алюминиевого сплава и коэффициент использования энергии в процессе сварки, а формуемость поверхности сварного шва лучше, чем у сварного шва. лазерная самоплавящаяся сварка. Кроме того, введение дуги может значительно снизить точность зажима свариваемых деталей, а дуга оказывает разжижающее действие на плазму лазерной сварки, что может снизить экранирующее действие плазмы на лазер. Лазер играет важную роль в стабильности дуги, благодаря чему дуга может стабильно воздействовать на соединение во время высокоскоростной сварки, что позволяет улучшить качество сварки соединения и увеличить скорость сварки.

Применение лазерной сварки в автомобильной промышленности имеет множество преимуществ:

1) Скорость сварки высокая, улучшает производственный ритм, а скорость сварки может достигать 6 м/мин, что имеет несравненные преимущества перед другими методами соединения корпуса белого цвета (такими как точечная сварка, дуговая сварка, клепка);

2) Имеет небольшие ограничения на конструкцию корпуса, может применяться к различным сварочным конструкциям (внахлестку, угол, Т-образное соединение, стык) и представляет собой одностороннюю сварку, при которой можно достичь балки, конструкция более гибкая;

3) Требования к стороне лазерной сварки низкие, сторона сварки может быть сварена толщиной 6 ~ 8 мм, по сравнению с требованиями к стороне точечной сварки (16 мм), уменьшенными вдвое, что может сыграть роль в легкости;

4) Конструкция крыши и задней крышки, выполненная лазерной сваркой, может снизить качество кузова, при этом нет необходимости наносить герметик и внешнюю обшивку, что позволяет сэкономить на стоимости кузова;

5) Сварное соединение лазерной сварки гладкое и аккуратное, имеет хороший внешний вид и т. д.

Благодаря многочисленным преимуществам лазерной сварки, она широко используется в автомобильной промышленности и ей отдают предпочтение многие автомобильные компании. Применяется в различных частях европейских моделей (таких как Volkswagen, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Peugeot и др.) и американских моделей (таких как Buick, Ford, Cadillac, Chevrolet и др.) (крыша, дверной блок, внешняя панель крышки багажника, сварка боковых деталей конструкции и проточного бачка и т. д.), а также как один из символов качественного кузова белого цвета.

Однако из-за высоких единовременных инвестиционных затрат, точности листового металла и требований к точности инструментов он не получил широкого распространения среди автомобильных компаний отечественных марок.

В настоящее время лазерная сварка алюминиевых сплавов применяется в массовом производстве корпусов из алюминиевых сплавов. Audi TT, A6/A8 и флагманский Cadillac CT6 сварены лазерной сваркой из алюминиевого сплава на верхней крышке и боковых стенках. Cadillac CT6, Audi A6/A8/Q5, BMW 5 серии/7 серии, Mercedes-Benz серии S/серии C и других моделей крышки багажника использует лазерную сварку алюминиевого сплава. В дверях Audi A6/A8, Mercedes-Benz серии S/C, BMW серии 5/7 и т. д. применяется лазерная сварка алюминиевого сплава. Нио также применил большое количество лазерной сварки алюминиевого сплава в крышке и боковых стенках, а также в двери.

Благодаря постоянному развитию автомобильных технологий, производственных мощностей и качества обработки стоимость использования лазерной сварки будет значительно снижена. В то же время, с развитием легковых автомобилей, применение алюминиевых сплавов в кузове автомобиля увеличивается, лазерная сварка как один из важных методов соединения для решения проблемы качества сварки алюминиевых сплавов будет более широко использоваться в автоматизированная индустрия.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. — высокотехнологичное предприятие, специализирующееся на исследованиях и разработках, производстве и продаже автоматических машин для лазерной наплавки, высокоскоростных машин для лазерной наплавки, машин для лазерной закалки, оборудования для лазерной сварки и оборудования для 3D-печати.

Если вы заинтересованы в нашей продукции, свяжитесь с нами по адресу bob@gshenglaser.com.