Amb el desenvolupament de la tecnologia làser i la tecnologia de desenvolupament d'aliatges d'alumini, és especialment important continuar la investigació bàsica sobre la tecnologia d'aplicació de soldadura per làser d'aliatge d'alumini, desenvolupar una nova tecnologia de soldadura per làser d'aliatge d'alumini i ampliar de manera més eficaç el potencial d'aplicació de la soldadura per làser d'aliatge d'alumini. estructura, per entendre l'estat de l'aplicació i la tendència de desenvolupament de la tecnologia de soldadura per làser d'aliatge d'alumini.
L'aliatge d'alumini d'alta resistència té una alta resistència específica, rigidesa específica, bona resistència a la corrosió, rendiment de processament i propietats mecàniques, s'ha convertit en un material metàl·lic indispensable per a la fabricació estructural lleugera en aeroespacial, vaixells i altres camps de transport, entre els quals els avions són els més utilitzats. La tecnologia de soldadura té avantatges únics per millorar la taxa d'utilització dels materials estructurals, reduir el pes de les estructures i aconseguir la fabricació de baix cost de materials complexos i diferents, entre els quals la tecnologia de soldadura per làser d'aliatge d'alumini és un punt calent.
En comparació amb altres mètodes de soldadura, la soldadura per làser té els avantatges de la calefacció centralitzada, un petit dany tèrmic, una gran relació entre profunditat i amplada de la soldadura i una petita deformació de la soldadura. El procés de soldadura és fàcil d'integrar, automatitzar i flexible, i es pot realitzar una soldadura d'alta velocitat i alta precisió, especialment adequada per a la soldadura d'alta precisió d'estructures complexes.
Amb el desenvolupament de la tecnologia dels materials, es continuen introduint una varietat d'aliatges d'alumini d'alta resistència i alta tenacitat, especialment la tercera generació d'aliatge d'alumini de liti, l'aparició de nous aliatges d'alumini d'alta resistència, la tecnologia de soldadura per làser d'alumini proposa més i requisits més alts, mentre que la diversitat d'aliatges d'alumini també va comportar una varietat de nous problemes de soldadura làser, per la qual cosa hem d'estudiar en profunditat aquests problemes, per tal d'ampliar el potencial d'aplicació de l'estructura de soldadura làser d'aliatge d'alumini de manera més eficaç.
Làser d'alta potència
La soldadura làser és una tecnologia que irradia làser d'alta intensitat a la superfície metàl·lica i fa que el metall es fongui i després es refredi i cristal·litzi per formar una soldadura a través de l'acoblament tèrmic entre el làser i el metall. Segons el mecanisme d'acció tèrmica de la soldadura làser es pot dividir en soldadura per conducció tèrmica i soldadura de penetració profunda de dos tipus, la primera s'utilitza principalment en soldadura de paquets de peces de precisió o soldadura micro i nano; Aquest últim sovint produeix un petit efecte de forat similar a la soldadura per feix d'electrons en el procés de soldadura, formant una soldadura profunda i ampla. La realització de la soldadura làser de penetració profunda requereix una gran potència làser, i actualment hi ha quatre tipus de làser d'alta potència que s'apliquen a la soldadura làser de penetració profunda.
1, làser de gas CO2
El medi de treball és el gas CO2, la sortida làser de 10,6 μm de longitud d'ona, segons l'estructura d'excitació làser es divideix en dos tipus de flux transversal i flux axial. Tot i que la potència de sortida del làser de CO2 de flux creuat ha arribat als 150 kW, la qualitat del feix és deficient i no és adequada per a la soldadura. El làser de CO2 de flux axial té una millor qualitat del feix i es pot utilitzar per soldar aliatges d'alumini amb alta reflectivitat làser.
2, làser sòlid YAG
El medi de treball és el robí, el vidre de neodimi i el granat d'itri d'alumini dopat amb neodimi, etc. La longitud d'ona de sortida és làser d'1,06 μm. El làser YAG s'absorbeix més fàcilment pel metall que el làser CO2 i es veu menys afectat pel plasma, per a la transmissió de fibra, operació de soldadura flexible, bona accessibilitat de la posició de soldadura, és el làser principal per soldar l'estructura d'aliatge d'alumini.
3, làser de fibra YLR
És un nou tipus de làser desenvolupat després del 2002, que utilitza fibra com a material de matriu, dopan diferents ions de terres rares i el rang de longitud d'ona de sortida és d'uns 1,08 μm, que també és transmissió de fibra. L'ús revolucionari del làser de fibra de l'estructura de fibra de doble revestiment, augmenta la longitud de la bomba, millora l'eficiència de la bomba, de manera que la potència de sortida del làser de fibra augmenta molt. En comparació amb el làser YAG, el làser de fibra YLR apareix més tard, però té els avantatges de mida petita, baix cost operatiu, alta qualitat del feix i gran potència làser.
Recerca d'aplicacions sobre l'estructura de soldadura làser d'aliatge d'alumini
Des de la dècada de 1990, amb el desenvolupament de la ciència i la tecnologia, l'aparició de làsers d'alta potència i brillantor, integració de tecnologia de soldadura làser, desenvolupament intel·ligent, flexible i diversificat és cada cop més madur, més atenció a la soldadura làser a casa i a l'estranger en diversos camps. d'aplicació d'estructura d'aliatge d'alumini. Actualment, alguns fabricants d'automòbils a la Xina han adoptat la tecnologia de soldadura làser en alguns models nous, amb el desenvolupament de la tecnologia de soldadura làser per a placa gruixuda d'aliatge d'alumini, la soldadura làser s'aplicarà a l'estructura del vehicle blindat en el futur.
Per tal de realitzar una fabricació lleugera, l'aplicació i la investigació de la soldadura làser de l'estructura sandvitx d'aliatge d'alumini a la fabricació d'estructures de vaixells i trens d'alta velocitat és el punt d'investigació actual. L'aliatge d'alumini és un material estructural metàl·lic important per a les estructures aeroespacials, de manera que al Japó, els Estats Units, el Regne Unit, Alemanya i altres països desenvolupats donen molta importància a la investigació de la tecnologia de soldadura làser d'aliatge d'alumini.
Amb el desenvolupament de la tecnologia de soldadura per làser de fibra, el camp de la fabricació d'aviació dels països avançats ha enumerat la soldadura làser de fibra i la tecnologia de soldadura d'arc làser com el focus de la tecnologia de soldadura d'aliatge d'alumini, especialment la soldadura de plaques gruixudes i la soldadura de metalls diferents. Per exemple, el projecte NALI als Estats Units està duent a terme investigacions sobre la soldadura làser de fibra i la tecnologia de soldadura d'arc làser compost per a l'estructura de la cambra de combustió d'avions civils i motors d'avions JSF.
Característiques de la soldadura làser d'aliatge d'alumini
En comparació amb la soldadura per fusió convencional, la concentració de calefacció per soldadura làser d'aliatge d'alumini, la relació entre profunditat i amplada de la soldadura és gran, la deformació de l'estructura de soldadura és petita, però hi ha algunes deficiències, que es resumeixen de la següent manera:
(1) El petit diàmetre del punt d'enfocament làser comporta uns requisits elevats per a la soldadura de la peça i la precisió del muntatge, normalment la bretxa de muntatge i la quantitat de vores incorrectes han de ser inferiors a 0,1 mm o 10% de la placa gruix, que augmenta la dificultat de la implementació de la complexa estructura de soldadura tridimensional
(2) Com que la reflectivitat de l'aliatge d'alumini al làser a temperatura ambient és tan alta com el 90%, la soldadura làser de penetració profunda de l'aliatge d'alumini requereix que el làser tingui una gran potència. La investigació de la soldadura làser de làmines d'aliatge d'alumini mostra que la soldadura làser de penetració profunda de l'aliatge d'alumini depèn del doble llindar de densitat de potència làser i energia lineal, que restringeixen conjuntament el comportament de la piscina de soldadura en el procés de soldadura i, finalment, reflecteixen les característiques de formació. de la soldadura. L'optimització del procés de la soldadura de penetració completa es pot avaluar mitjançant la relació d'amplada posterior de les característiques de formació de la costura de soldadura.
(3) El punt de fusió de l'aliatge d'alumini és baix, el flux de metall líquid és bo, la vaporització del metall forta sota l'acció del làser d'alta potència, el núvol de plasma fotoinduït/vapor metàl·lic format amb un petit efecte de forat en el procés de soldadura afecta l'absorció d'energia làser d'aliatge d'alumini. , resultant en inestabilitat del procés de soldadura de penetració profunda, soldadura propensa a la porositat, col·lapse superficial, vora i altres defectes;
(4) La velocitat de calefacció i refrigeració de la soldadura làser és ràpida i la duresa de la soldadura és superior a la de l'arc, però a causa de la crema d'elements d'aliatge a la soldadura làser d'aliatge d'alumini, que afecta l'enfortiment de l'aliatge, el La soldadura d'aliatge d'alumini encara té el problema de suavitzar-se, reduint així la resistència de la junta soldada d'aliatge d'alumini. Per tant, el principal problema de la soldadura làser d'aliatge d'alumini és controlar els defectes de soldadura i millorar el rendiment de les juntes soldades.
Tecnologia de control de defectes de soldadura làser d'aliatge d'alumini
Sota l'acció del làser d'alta potència, els principals defectes de les juntes de soldadura de penetració profunda amb làser d'aliatge d'alumini són la porositat, el col·lapse de la superfície i la mossegada de les vores, que es poden millorar mitjançant la soldadura d'ompliment de fil làser o la soldadura làser d'arc compost. És difícil controlar el defecte de porositat de la soldadura.
Els resultats de la investigació existent mostren que hi ha dos tipus de porus característics en la soldadura làser de penetració profunda d'aliatge d'alumini. Un són els porus metal·lúrgics, que són causats per la contaminació del material o la intrusió d'aire en el procés de soldadura com la soldadura per fusió d'arc. L'altre tipus és la porositat del procés, que és causada per la fluctuació inestable del petit forat inherent al procés de soldadura de penetració profunda del làser.
En el procés de soldadura de penetració profunda per làser, el forat sovint es queda endarrerit amb el moviment del feix a causa de l'efecte viscós del metall líquid, i el seu diàmetre i profunditat fluctuen sota la influència del vapor de plasma/metall. Amb el moviment del feix i el flux de metall fos de la piscina, apareixen bombolles a la punta del forat de la soldadura de penetració profunda no permeada a causa del flux de metall fos de la piscina, i apareixen bombolles a la cintura estreta al mig de el forat a la soldadura de penetració profunda de penetració completa. Les bombolles migren i roden amb el flux de metall líquid, o escapen de la superfície de la piscina fosa, o són empès cap al petit forat, quan les bombolles són solidificades per la piscina fosa i capturades pel front metàl·lic, és a dir, es converteixen en la porositat de la soldadura.
Òbviament, la porositat del metall està controlada principalment pel control del tractament superficial abans de la soldadura i la protecció raonable del gas durant la soldadura, i la clau de la porositat del procés és garantir l'estabilitat del petit forat durant la soldadura de penetració profunda amb làser. Segons la investigació de la tecnologia de soldadura per làser domèstica, s'ha de tenir en compte el control de la porositat de la soldadura de penetració profunda amb làser d'aliatge d'alumini abans de la soldadura, el procés de soldadura, el posttractament de la soldadura de diversos enllaços, resumits com els següents nous processos i noves tecnologies.
1, mètode de tractament previ a la soldadura
El tractament superficial abans de la soldadura és una manera eficaç de controlar els porus metal·lúrgics de la soldadura làser d'aliatge d'alumini, normalment els mètodes de tractament de superfície tenen neteja física i mecànica, neteja química, en els darrers anys, hi ha hagut neteja per xoc làser, que millorarà encara més el grau d'automatització. de soldadura làser.
2, control d'optimització de l'estabilitat dels paràmetres
Els paràmetres del procés de soldadura per làser d'aliatge d'alumini solen ser principalment potència làser, desenfocament, velocitat de soldadura i composició i flux de protecció de gas. Aquests paràmetres afecten no només l'efecte de protecció de la zona de soldadura, sinó també l'estabilitat del procés de soldadura de penetració profunda del làser, afectant així la porositat de la soldadura. Mitjançant la soldadura làser de penetració profunda de la làmina d'aliatge d'alumini, es troba que l'estabilitat de la penetració de forats petits afecta l'estabilitat de la piscina de soldadura i, a continuació, afecta la formació de la soldadura donant lloc a defectes de porositat de la soldadura. A més, l'estabilitat de la soldadura de penetració profunda del làser està relacionada amb la densitat de potència del làser i la concordança de quantitats lineals, de manera que la determinació de paràmetres de procés raonables de formació de soldadura estable és una mesura eficaç per controlar eficaçment la porositat de la soldadura làser d'aliatge d'alumini.
Els resultats mostren que la relació entre l'amplada de la part posterior de la soldadura i l'amplada de la superfície de la soldadura (la relació de l'amplada posterior de la soldadura) s'utilitza per avaluar la formació de la soldadura i l'estabilitat de la làmina d'aliatge d'alumini. Quan la densitat de potència del làser i l'energia de la línia coincideixen raonablement, es pot garantir la relació de tornada a l'amplada de la soldadura i es pot controlar eficaçment la porositat de la soldadura.
3, soldadura làser de doble punt
La soldadura per làser de doble punt es refereix al procés de soldadura en què dos raigs làser enfocats actuen al mateix grup de soldadura al mateix temps. En el procés de soldadura de penetració profunda per làser, una de les principals raons per a la formació de porositat és que el gas del petit forat està tancat a la piscina de soldadura pel tancament instantani. Quan s'utilitza la soldadura per làser de doble punt, a causa de l'acció de dues fonts de llum, la gran obertura del petit forat és propici per a l'escapament del vapor de metall intern i també és propici per a l'estabilitat del petit forat, de manera que per reduir la porositat de la soldadura. Els estudis sobre la soldadura làser d'aliatges d'alumini A356, AA5083, 2024 i 5A90 mostren que la soldadura làser de doble punt pot reduir significativament la porositat de la soldadura.
4, soldadura làser d'arc compost
La soldadura làser d'arc compost és un mètode de soldadura en què el làser i l'arc s'apliquen a la mateixa piscina de soldadura. En general, utilitzant làser com a font de calor principal, la interacció entre làser i arc pot millorar la profunditat de soldadura làser i la velocitat de soldadura, i reduir la precisió del conjunt de soldadura. L'estabilitat dels forats de soldadura làser es pot millorar mitjançant l'ús de filferro de farciment per controlar les propietats de la microestructura de les juntes soldades, i l'efecte auxiliar de l'arc pot ajudar a reduir la porositat de la soldadura.
En el procés de soldadura d'arc làser compost, l'arc afecta el núvol de vapor de metall/plasma induït pel procés làser, que afavoreix l'absorció d'energia làser i l'estabilitat dels petits forats. Els resultats de la soldadura làser d'arc compost d'aliatge d'alumini també han demostrat la seva eficàcia.
5, soldadura làser de fibra
L'efecte de forat petit del procés de soldadura de penetració profunda del làser es deu a la forta vaporització del metall sota l'acció del làser. La força de vapor de la vaporització del metall està estretament relacionada amb la densitat de potència del làser i la qualitat del feix, que no només afecta la profunditat de penetració de la soldadura làser, sinó que també afecta l'estabilitat dels forats petits. Seiji. Et al. La investigació sobre làser de fibra d'alta potència d'acer inoxidable SUS304 mostra que la piscina de soldadura s'allarga durant la soldadura d'alta velocitat, cosa que inhibeix les esquitxades, la fluctuació del forat petit és estable i la punta del forat petit no té bombolles. Quan el làser de fibra s'utilitza per a la soldadura d'alta velocitat d'aliatge de titani i aliatge d'alumini, també es pot obtenir una soldadura lliure de porositat. Allen et al. La investigació de la tecnologia de control del gas protector en la soldadura làser de fibra d'aliatge de titani mostra que controlant la posició del gas protector de soldadura, es pot prevenir la participació del gas, es pot reduir el temps de tancament dels forats petits, es pot estabilitzar els forats petits de soldadura. , i el comportament de solidificació de la piscina de soldadura es pot canviar, reduint així la porositat de la soldadura.
6, soldadura per làser polsat
En comparació amb la soldadura làser contínua, la sortida làser adopta un mode de pulsació, que pot afavorir el flux periòdic i estable de la piscina fosa, que afavoreix l'escapament de la bombolla a la piscina fosa i redueix la porositat de la soldadura. TY Kuo i SL Jeng van estudiar la influència del mode de sortida de potència làser de la soldadura làser YAG sobre la porositat i les propietats de les soldadures de superaliatge SUS 304L d'acer inoxidable i inconel 690. Els resultats mostren que: per a la soldadura làser polsada d'ona quadrada, quan la potència base és de 1700 w, la porositat de la soldadura disminueix amb l'augment de l'amplitud del pols ΔP, i la porositat de l'acer inoxidable disminueix del 2,1% al 0,5% i la de superaliatge disminueix del 7,1% al 0,5%.
7, tecnologia de processament compost després de la soldadura
En aplicacions pràctiques d'enginyeria, fins i tot si el tractament de la superfície és estricte abans de la soldadura i el procés de soldadura és estable, la soldadura làser d'aliatge d'alumini produirà inevitablement porositat de soldadura, de manera que l'ús del tractament posterior a la soldadura per eliminar la porositat és molt important. Actualment, el mètode és principalment la soldadura modificada. La tecnologia de premsat isostàtica en calent és un dels mètodes per eliminar la porositat i la contracció de les peces de fosa d'aliatge d'alumini, i es combina amb el tractament tèrmic d'estrès de l'aliatge d'alumini després de la soldadura per làser per formar un procés compost de premsat isostàtic en calent i tractament tèrmic d'aliatge d'alumini. Components de soldadura làser, que no només elimina la porositat de la soldadura, sinó que també millora el rendiment de la junta.
A causa de les característiques de l'aliatge d'alumini, encara hi ha molts problemes en l'aplicació de la soldadura làser d'alta potència, el principal problema és controlar el defecte de porositat de la soldadura i millorar la qualitat de la soldadura. Per tal de millorar l'estabilitat del procés de soldadura, el control d'enginyeria de la porositat de la soldadura làser de l'aliatge d'alumini ha de tenir en compte tots els aspectes abans de la soldadura, durant la soldadura i després de la soldadura. Així, s'han derivat moltes noves tecnologies i processos, com ara la neteja làser de presoldadura, l'optimització del control de la relació d'amplada posterior dels paràmetres del procés de soldadura, la soldadura làser de doble feix, la soldadura làser composta per arc, la soldadura per làser per pols i la soldadura per làser de fibra.
