Zastosowanie technologii spawania laserowego w spawaniu stopów aluminium

Zastosowanie stopu aluminium w celu zastąpienia tradycyjnej stali w samochodzie jest jednym z ważnych sposobów uzyskania lekkości samochodu. Jednak ze względu na właściwości stopu aluminium o dobrej przewodności cieplnej i dużym współczynniku rozszerzalności liniowej, podczas spawania występują pewne problemy:

1) Złącze spawane ze stopu aluminium poważnie mięknie, niski współczynnik wytrzymałości;

2) Stop aluminium łatwo się utlenia, tworząc ogniotrwałą warstwę tlenku (Al2O3, temperatura topnienia 2060 stopni), która wymaga zastosowania procesu spawania o dużej gęstości;

3) Łatwe do wytworzenia pory;

4) Współczynnik rozszerzalności liniowej jest duży, łatwo powoduje odkształcenia spawalnicze i pęknięcia spawalnicze;

5) Przewodność cieplna i pojemność cieplna właściwa są duże, a dopływ ciepła jest 2 do 4 razy większy niż w przypadku stali spawanej.

Dlatego też, aby uzyskać wysokowydajne złącza spawane stopów aluminium, potrzebna jest wysoka gęstość energii, niski dopływ ciepła spawania i duża prędkość spawania, wśród których spawanie laserowe jest jedną z najbardziej obiecujących technologii spawania stopów aluminium.

Spawanie laserowe to wydajna i precyzyjna metoda spawania wykorzystująca wiązkę lasera o wysokiej gęstości energii jako źródło ciepła, która charakteryzuje się dużą szybkością, dużą penetracją, małymi odkształceniami, dobrą elastycznością obróbki i łatwą automatyzacją w przypadku spawania stopów aluminium. Jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, samochodowym, elektronice przemysłu lekkiego i innych dziedzinach, ale jest stosowany w spawaniu laserowym stopów aluminium. Są też pewne problemy i trudności.

1.1 Stop aluminium ma bardzo niski współczynnik absorpcji lasera

Stop aluminium ma silne działanie odblaskowe na laser, co wynika z dużej gęstości wolnych elektronów w stanie stałym stopu aluminium, który łatwo odbija energię fotonu w wiązce. Badania pokazują, że współczynnik odbicia stopu aluminium w stosunku do lasera gazowego CO2 wynosi aż 90%, a współczynnik odbicia lasera stałego jest bliski 80%. Jednocześnie stop aluminium ma dużą przewodność cieplną, co skutkuje bardzo niskim współczynnikiem absorpcji lasera ze stopu aluminium. Dlatego należy podjąć odpowiednie środki w celu poprawy współczynnika absorpcji lasera przez stop aluminium.

Środki optymalizacyjne:

1) Zwiększając gęstość mocy lasera, aby poprawić absorpcję lasera ze stopu aluminium. Wzrost gęstości mocy lasera spowoduje efekt małej dziury w jeziorku spawalniczym, co może znacznie poprawić szybkość absorpcji materiału przez laser.

2) Zastosuj odpowiedni proces wstępnej obróbki powierzchni. Do porównania absorpcji laserowej stopu aluminium zastosowano polerowanie elektrolityczne, anodowanie i piaskowanie. Stwierdzono, że anodowanie i piaskowanie powierzchni stopów aluminium może znacznie poprawić absorpcyjność lasera.

3) Stwierdzono również, że kształt stawu wpływa na absorpcję lasera. Skos w kształcie litery V i skos kwadratowy bardziej sprzyjają tworzeniu się dziurek od klucza niż połączeń bez ukosowania, a gęstość mocy lasera wzrasta, a także wzrasta współczynnik absorpcji lasera przez stop aluminium.

1.2 Łatwe tworzenie porów

Pory są najczęstszą i najważniejszą wadą spawania laserowego stopów aluminium. Rodzaje porów można podzielić na dwie kategorie. Jednym z nich jest to, że ze względu na gwałtowny spadek rozpuszczalności wodoru w procesie chłodzenia podczas spawania laserowego stopu aluminium, zawartość wodoru w roztopionym stopie aluminium może osiągnąć {{0}},69 ml/100 g, zawartość wodoru stopu aluminium po ochłodzeniu i zestaleniu wynosi 0,036 ml/100 g, a przesycony wodór wytrąca się, tworząc pory wodorowe. Ponadto na powierzchni stopu aluminium znajduje się warstwa tlenku, a woda zawarta w krystalicznej wodzie, powietrzu i gazie ochronnym na powierzchni stopu aluminium jest bezpośrednio rozkładana na wodór podczas spawania. Te pory wodorowe powstają zbyt późno, aby uciec podczas szybkiego procesu chłodzenia podczas spawania laserowego stopów aluminium i pozostają w spoinie, tworząc pory wodorowe. Drugi wynika z niestabilności dziurki od klucza powstałej w procesie spawania laserowego i zapadnięcia się, a ciekły metal nie ma czasu na wypełnienie otworu. Nadmierna porowatość zmniejszy gęstość spoiny, zmniejszy nośność złącza oraz w różnym stopniu zmniejszy wytrzymałość i plastyczność złącza. Istnieje wiele środków mających na celu zmniejszenie defektów porowatości podczas spawania laserowego stopów aluminium, takich jak zmiana toru chodzenia wiązki lasera, wykorzystanie oscylacji wiązki do mieszania roztopionego jeziorka, zwiększenie możliwości ucieczki porowatości z powierzchni, użycie drutu lub stopu proszku, a stosując technologię double spot i laserowe spawanie kompozytów można uzyskać efekt zmniejszenia porowatości, jednak trudno go zasadniczo wyeliminować.

1.3 Skłonność do pęknięć na gorąco

Przyczyna pęknięć na gorąco podczas spawania laserowego stopu aluminium jest związana głównie z jego własnymi właściwościami i procesem spawania. Podczas krzepnięcia stopu aluminium stopień skurczu jest duży (do 5%), naprężenia spawalnicze i odkształcenie są duże, a metal spoiny wytworzy strukturę eutektyczną o niskiej temperaturze topnienia wzdłuż granicy ziaren podczas krystalizacji, tak że granica ziaren siła wiązania jest osłabiona, a pod wpływem naprężenia rozciągającego powstają gorące pęknięcia. Skłonność do pękania na gorąco można zmniejszyć poprzez wypełnienie drutem lub proszkiem stopowym, a skłonność do pękania na gorąco można również zmniejszyć dostosowując parametry procesu spawania w celu kontrolowania prędkości nagrzewania i chłodzenia.

1.4 Zmiękczenie struktury spoiny i strefy wpływu ciepła

„Zmiękczenie” to zjawisko zmniejszenia wytrzymałości i twardości złączy spawanych. Kiedy stosuje się spawanie laserowe złącza ze stopu aluminium, struktura spoiny i strefa wpływu ciepła złącza spawanego również mają problemy ze mięknięciem. Duża liczba badań wykazała, że ​​zjawisko mięknięcia podczas spawania stopów aluminium jest trudne do zasadniczego wyeliminowania, jednak w porównaniu ze spawaniem w osłonie gazu, spawanie laserowe zmniejsza dopływ ciepła i zawęża strefę mięknięcia spoiny. W porównaniu ze spawaniem MIG stopień „zmiękczenia” złączy spawanych laserowo ze stopów aluminium jest niższy, a wytrzymałość na rozciąganie wzrasta wraz ze wzrostem prędkości spawania. Wpływ plazmy na proces spawania Energia jonizacji elementu aluminiowego jest niska, podczas spawania laserowego łatwiej jest wytworzyć plazmę metaliczną, plazmę powstałą w wyniku załamania i odchylenia lasera, zmieniając w ten sposób skupienie wiązki lasera, dzięki czemu zmniejsza się współczynnik wtopu spoiny, wpływające na jakość złącza spawanego. Dzięki wstępnemu ustawieniu proszku na powierzchni przedmiotu obrabianego rozszerzanie i pulsacja plazmy w kierunku wysokości zostaje osłabiona, dzięki czemu plazma może utrzymać stosunkowo stabilną amplitudę pulsacji na powierzchni przedmiotu obrabianego.

2.1 Spawanie laserowe stopu aluminium metodą samooporową

Laserowe spawanie samowtapialne odnosi się do wiązki lasera o wysokiej gęstości energii jako źródła ciepła, uderzającego w powierzchnię materiału podstawowego, tak że sam materiał podstawowy topi się, tworząc metodę spawania złącza spawalniczego. W przypadku spawania laserowego stopu aluminium powierzchnia stopu aluminium ma wysoki współczynnik odbicia lasera, a podczas spawania wymagana jest duża moc lasera. Średnica plamki lasera jest mała, dokładność sprzętu spawalniczego jest wysoka, a wartość tolerancji szczeliny części jest niska, a wartość szczeliny części zwykle musi być niższa niż 0. 2mm. Podczas procesu spawania prędkość nagrzewania i chłodzenia jest duża, wady porowatości spawania są liczne, gęstość energii lasera jest skoncentrowana, a efekt dziurki od klucza łatwo powoduje zjawisko wklęsłości spoiny i wgryzania się krawędzi, więc parametry procesu spawania mają wyższe wymagania. Spawanie laserowe samooporne w spawaniu stopów aluminium odzwierciedla zalety dobrej jakości spawania, dużej prędkości spawania i łatwej automatyzacji i jest szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. W przemyśle pojazdów elektrycznych uszczelnienie obudowy akumulatora elektrycznego odbywa się głównie za pomocą samooporowego spawania laserowego stopu aluminium. W aluminiowym nadwoziu krajowej firmy produkującej samochody nowej energii spawanie zespołu drzwi i konstrukcji ściany bocznej jest również wykonane za pomocą samooporowego spawania laserowego stopu aluminium.

2.2 Spawanie drutem laserowym ze stopu aluminium

W spawaniu laserowym z wypełnieniem drutem laser jest nadal używany jako główne źródło ciepła do topienia spawanego metalu, ale automatyczne urządzenie do podawania drutu służy do ciągłego podawania metalu wypełniającego do jeziorka stopionego w celu osiągnięcia procesu połączenia metalurgicznego. W porównaniu ze spawaniem samowtapialnym laserem, spawanie wypełniające drutem laserowym złagodziło wymagania dotyczące dokładności szczeliny w procesie spawania, wypełniając różne elementy drutu spawalniczego, poprawiając właściwości metalurgiczne spoiny, zapobiegając gorącym pęknięciom i porom spawania, poprawiając stabilność procesu spawania i właściwości mechaniczne złącza.

Spawanie drutem laserowym ze stopu aluminium charakteryzuje się dobrą jakością wyglądu, dokładność szczeliny procesowej jest luźniejsza niż spawanie laserowe itp. Zwykle stosuje się je na zewnętrznej powierzchni korpusu, na przykład między górną pokrywą a ścianą boczną oraz pomiędzy górną i dolną płytą pokrowca walizki. Istnieją również modele, w których można uzyskać wyższą jakość spawania i zastosować spawanie drutem laserowym do spawania drzwi ze stopów aluminium.

2.3 Spawanie kompozytowe łukiem laserowym stopu aluminium

Spawanie kompozytowe łukiem laserowym to połączenie dwóch rodzajów źródeł ciepła, lasera i łuku, o różnych właściwościach fizycznych i mechanizmie przenoszenia energii, które współpracują ze sobą na spawanych częściach. Obydwa w pełni wykorzystują zalety obu źródeł ciepła i równoważą swoje wady. Podczas spawania kompozytowego stopu aluminium łukiem laserowym łuk może kierować laserowym źródłem ciepła, poprawiać zdolność absorpcji stopu aluminium i stopień wykorzystania energii w procesie spawania, a odkształcalność powierzchni spoiny jest lepsza niż w przypadku spawanie laserowe metodą samooporową. Ponadto wprowadzenie łuku może znacznie zmniejszyć dokładność mocowania części spawanych, a łuk ma działanie rozcieńczające plazmę spawania laserowego, co może zmniejszyć efekt ekranowania plazmy na laserze. Laser odgrywa ważną rolę w stabilności łuku, dzięki czemu łuk może stabilnie oddziaływać na złącze podczas spawania z dużą prędkością, co może poprawić jakość spawania złącza i zwiększyć prędkość spawania.

Zastosowanie spawania laserowego w przemyśle motoryzacyjnym ma wiele zalet:

1) Szybkość spawania jest duża, poprawia rytm produkcji, a prędkość spawania może osiągnąć 6 m/min, co ma nieporównywalną przewagę nad innymi metodami łączenia korpusów w kolorze białym (takimi jak zgrzewanie punktowe, zgrzewanie łukowe, nitowanie);

2) Ma niewielkie ograniczenia w konstrukcji nadwozia, może być stosowany do różnych konstrukcji spawanych (zakładka, narożnik, złącze T, doczołowy) i jest spawaniem jednostronnym, gdzie można dotrzeć do belki, konstrukcja jest bardziej elastyczna;

3) Wymagania dotyczące spawania laserowego są niskie, strona spawania może być spawana w zakresie 6 ~ 8 mm, w porównaniu z wymaganiami strony spawania punktowego (16 mm) zmniejszonymi o połowę, może odgrywać rolę w lekkości;

4) Spawanie laserowe konstrukcji dachu i tylnej pokrywy może obniżyć jakość nadwozia i nie ma potrzeby stosowania uszczelniacza ani zewnętrznej listwy wykończeniowej, co pozwala zaoszczędzić na kosztach nadwozia;

5) Spawanie laserowe jest gładkie i schludne, ma dobry wygląd itp.

Ze względu na wiele zalet spawania laserowego, cieszy się ono dużym zainteresowaniem w przemyśle motoryzacyjnym i jest preferowane przez wiele firm motoryzacyjnych. Jest stosowany w różnych częściach modeli europejskich (takich jak Volkswagen, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Peugeot itp.) i modeli amerykańskich (takich jak Buick, Ford, Cadillac, Chevrolet itp.) (dach, montaż drzwi, zewnętrzny panel pokrywy bagażnika, boczne elementy konstrukcyjne i spawanie zbiornika przepływowego itp.) oraz jako jeden z symboli wysokiej jakości nadwozia w kolorze białym.

Jednak ze względu na wysoki jednorazowy koszt inwestycji, dokładność blachy i wymagania dotyczące dokładności oprzyrządowania, nie jest on powszechnie stosowany wśród krajowych firm motoryzacyjnych.

Obecnie spawanie laserowe stopów aluminium znalazło zastosowanie w masowej produkcji korpusów ze stopów aluminium. Audi TT, A6/A8 i flagowy Cadillac CT6 są spawane laserowo ze stopu aluminium na górnej pokrywie i ścianach bocznych. Cadillac CT6, Audi A6/A8/Q5, BMW serii 5/7 serii, Mercedes-Benz serii S/C serii i inne modele pokrywy bagażnika wykorzystują spawanie laserowe ze stopu aluminium. Drzwi Audi A6/A8, Mercedes-Benz S/C Series, BMW serii 5/7 itp. wykorzystują spawanie laserowe ze stopu aluminium. Nio zastosował również dużą liczbę spawania laserowego stopów aluminium w pokrywie i ścianie bocznej, a także w drzwiach.

Wraz z ciągłym postępem technologii motoryzacyjnej, możliwościami przetwarzania przemysłu i jakością przetwarzania, koszty stosowania spawania laserowego zostaną znacznie obniżone. Jednocześnie wraz z rozwojem lekkich pojazdów samochodowych rośnie zastosowanie stopu aluminium w nadwoziu samochodu, spawanie laserowe jako jedna z ważnych metod łączenia w celu rozwiązania problemu jakości spawania stopów aluminium będzie szerzej stosowane w Branża motoryzacyjna.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. to zaawansowane technologicznie przedsiębiorstwo specjalizujące się w badaniach i rozwoju, produkcji i sprzedaży automatycznych maszyn do napawania laserowego, szybkich maszyn do napawania laserowego, maszyny do hartowania laserowego, sprzętu do spawania laserowego i sprzętu do drukowania 3D.

Jeśli interesują Cię nasze produkty, skontaktuj się z nami pod adresem bob@gshenglaser.com.